EP2475975A1 - Spectrometre optique autonome et portable - Google Patents

Spectrometre optique autonome et portable

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EP2475975A1
EP2475975A1 EP10762710A EP10762710A EP2475975A1 EP 2475975 A1 EP2475975 A1 EP 2475975A1 EP 10762710 A EP10762710 A EP 10762710A EP 10762710 A EP10762710 A EP 10762710A EP 2475975 A1 EP2475975 A1 EP 2475975A1
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EP
European Patent Office
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optical
measurement
sample
spectrometer according
color
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EP10762710A
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German (de)
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EP2475975B1 (fr
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Roger Pellenc
Jean-Marc Gialis
Jean-Louis Ferrandis
Antoine Bourely
Véronique BELLON MAUREL
Jean-Michet Roger
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Institut National de Recherche en Sciences et Technologies pour Lenvironnement et lAgriculture IRSTEA
Original Assignee
Pellenc SAS
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP2475975B1 publication Critical patent/EP2475975B1/fr
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4738—Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials
    • G01N21/474—Details of optical heads therefor, e.g. using optical fibres
    • G—PHYSICS
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    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
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    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/314—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry with comparison of measurements at specific and non-specific wavelengths
    • G01N2021/317—Special constructive features
    • G01N2021/3177—Use of spatially separated filters in simultaneous way
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/02—Mechanical
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    • G01N2201/0221—Portable; cableless; compact; hand-held
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    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/02—Food
    • G01N33/025—Fruits or vegetables

Definitions

  • Optical spectrometer in particular autonomous and portable optical spectrometer.
  • the present invention relates to an optical spectrometer, in particular an autonomous and portable optical spectrometer, for analyzing the back light spectrum scattered by a sample subjected to illumination, in order to determine a content of at least one compound constituting the sample.
  • an optical spectrometer in particular an autonomous and portable optical spectrometer, for analyzing the back light spectrum scattered by a sample subjected to illumination, in order to determine a content of at least one compound constituting the sample.
  • Viticulture is subject today to a growing demand for optimization of yields and quality in order to better adapt productions to market demands and consumer expectations.
  • one solution is to better evaluate the grape maturity criteria in order to predict an optimal harvest date. From the veraison until the maturity of the grapes, maturity monitoring tests are carried out. These tests currently require sampling of clusters or bays on different plots. These samples are then sent to analytical laboratories. The measurements thus made are binding and expensive. They require the destruction of the samples. Sample collection is long. Laboratory analysis is expensive. In addition, this procedure only allows a posteriori to know the progress of maturity.
  • the present invention makes it possible to meet this need by proposing an autonomous and portable optical spectrometer capable of measuring, directly on the product, without requiring its destruction, the contents of one or more configurable compounds.
  • the subject of the invention is an optical spectrometer, particular of the autonomous and portable type, for analyzing a retro light spectrum scattered by an illuminated sample, in order to deduce therefrom a content of at least one compound constituting the sample, said spectrometer being organized around an optical axis and comprising :
  • a target zone centered on said optical axis and able to receive said sample
  • a plurality of sensors comprising at least one optical sensor for the target area
  • a measurement chamber opaque to light comprising:
  • At least one diffuser filter obstructing said opening
  • said target area being located near said opening, outside the measuring chamber
  • a main lighting device capable of illuminating said sample.
  • the main lighting device is disposed, relative to the plane perpendicular to the optical axis passing through the diffuser filter, on the opposite side to the target zone.
  • the opening angle of the measuring chamber from the opening is less than or equal to the diffusion angle of the diffuser filter.
  • the inner bottom has a spherical shape centered on the target area, or a planar shape perpendicular to the optical axis.
  • the measurement chamber has a photometric gain G at least equal to.
  • each optical sensor is able to measure light intensity according to a given wavelength.
  • each optical sensor further comprises an amplifier having a gain adjusted so as to maximize the excursion of the light intensity measurement.
  • the spectrometer further comprises a reference lighting device, reproducing the luminous characteristics of the main lighting device, disposed outside the measuring chamber so as to directly illuminate the interior bottom through the diffuser filter.
  • the spectrometer further comprises a system for measuring the color of the sample comprising a third lighting device and an optical color sensor, both aimed at the target zone.
  • the spectrometer further comprises a fluorescence measurement system of the sample comprising a fourth lighting device and a specific optical sensor, both aimed at the target zone.
  • the spectrometer further comprises a logic processing unit able to control the selective ignition of the lighting devices, to acquire, process, store and restore the measurements and the determinations obtained by processing from these measurements coming from the optical sensors, the optical color sensor and the specific optical sensor, and a human-machine interface, interfaced with the said logical processing unit able to trigger a sequence of measures and display the results.
  • a logic processing unit able to control the selective ignition of the lighting devices, to acquire, process, store and restore the measurements and the determinations obtained by processing from these measurements coming from the optical sensors, the optical color sensor and the specific optical sensor, and a human-machine interface, interfaced with the said logical processing unit able to trigger a sequence of measures and display the results.
  • the spectrometer further comprises a localization device.
  • the spectrometer further comprises an information transmission device.
  • the invention also relates to a method of using such an optical spectrometer, comprising a step of obtaining by acquisition, a "real" measurement mi, where the index i describes from 1 to n the plurality of optical sensors. , in the presence of a sample in the target zone, the main lighting device being only lit.
  • the method also comprises a step of obtaining by acquisition, a "black" measurement b i, where the index i describes from 1 to n the plurality of optical sensors, all the devices lights are off.
  • the method further comprises a step of obtaining by acquisition, a "reference" measurement ri, where the index i describes from 1 to n the plurality of optical sensors, the device of reference lighting being only on.
  • the method also comprises a value determination step
  • the method further comprises a normalization step, in order to obtain Ni, for i ranging from 1 to n, such that
  • An advantage of the spectrometer and the method according to the invention is to propose a portable and autonomous device suitable for use in the field in order to produce, in a non-destructive manner, immediately exploitable measurements, with a precision comparable to that of laboratory apparatus. and for measuring levels of very low compounds.
  • FIG. 1 presents a diagram detailing the optical principles used
  • FIG. 2 presents a master diagram of the geometry of a spectrometer according to the invention
  • FIG. 3 shows a sectional view of a spectrometer according to a first embodiment
  • FIG. 4 details the opening of the spectrometer of FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a sectional view of a spectrometer according to a second embodiment
  • FIG. 6 illustrates a lighting spectrum
  • FIG. 7 illustrates a diffused retro spectrum
  • FIGS. 8 to 11 illustrate four measurement chamber conformations
  • FIGS. 12 and 13 illustrate a device for mounting the optical sensors according to a first embodiment in perspective view, respectively assembled and exploded
  • FIGS. 14 and 15 illustrate a device for mounting the optical sensors according to a second embodiment in perspective view, respectively assembled and exploded
  • FIG. 16 shows a diagram of a measurement chain
  • FIG. 17 presents a diagram of the computer system of the spectrometer
  • FIG. 18 presents a perspective view of the spectrometer
  • FIG. 19 presents an exploded perspective view of the same spectrometer
  • FIGS. 20 and 21 show two examples of use of the spectrometer
  • FIG. 22 is a flowchart of a measurement sequence
  • Figure 1 illustrates an optical principle.
  • a reflected ray is mainly concentrated in a preferred direction. This direction is, determined by the laws of Descartes, symmetrical relative to the normal n to the surface of the body c to the point of impact of the incident ray i. The angle between the incident ray i and the normal n is equal to the angle between the normal n and the specular reflected ray r.
  • the light is retro-diffused substantially homogeneously in all directions of space. This second mode is exploited by the invention. It has the advantage of allowing a measurement by placing a sensor m in any direction of the space being assured of being able to observe the same signal.
  • a disadvantage is that the intensity of this signal is low relative to the reflected specular signal r.
  • the invention has several features that make it possible to improve the quality of the measurement in order to compensate for the relative weakness of the signal received.
  • it is necessary not to place a sensor in the specular reflection direction r in order to avoid the risk of blinding / saturating it, because of the differences in order of magnitude of the light intensities.
  • the diffuse mode is accompanied by a certain penetration of the light inside the body c.
  • the light spectrum is modified due to differential attenuations, depending on the wavelengths.
  • an essential property is that a sample-diffused retro-signal has its modified wavelength spectrum as a function of the compounds present in the sample that selectively absorb certain characteristic wavelengths of said compounds.
  • the measuring principle of the spectrometer 1 takes advantage of this property. It consists in actively illuminating, with a known spectrum light source 21, a sample 4 disposed in a target zone 3, measuring the reflected light according to the retro mode broadcast by sample 4 by means of optical sensors 5 to identify and characterize the scattered retro-spectrum 22. Next, from this measurement, a change of the scattered retro-spectrum 22 relative to the illumination spectrum 21 is determined. The analysis of this modification, by quantifying the observable attenuations according to certain characteristic wavelengths makes it possible to deduce the contents of certain constituent compounds of the sample 4. A third "surface" reflection mode, due to micro surface roughness , still exists and is used for color observation.
  • FIG. 2 presents a synoptic for defining the geometry of an optical spectrometer 1 according to the invention
  • FIGS. 3 and 4, respectively 5 and 6, show a first mode, respectively a second embodiment, of illustrative embodiment of FIG.
  • Such an optical spectrometer 1 is organized around an optical axis 2.
  • a target zone 3, centered on said optical axis 2, at the periphery of the spectrometer is free and accessible in order to allow the introduction of an optical spectrometer.
  • sample 4 to analyze The size of this target zone 3 is adapted according to the products that one wishes to analyze.
  • Its center 3 is located at the intersection of the optical axis 2 and the axes 6 of the optical sensors 5. Its spatial extent varies according to the types of sample 4 treated and the optical characteristics of the spectrometer.
  • Sample 4 can be a solid or a liquid.
  • the optical spectrometer 1 comprises a plurality comprising at least one optical sensor 5. Each optical sensor 5 targets the target zone 3. In other words, its optical axis 6 passes through the target zone 3.
  • the optical spectrometer 1 also comprises a measurement chamber 7 that is generally opaque to light, with the exception of an opening 8.
  • This opening 8 is centered on the optical axis 2 and constitutes the only light entry path from the outside to the inside of the measuring chamber 7.
  • the target zone 3 is close to the opening 8, while remaining external to said opening 8 and to the measuring chamber 7.
  • the opening 8 is still completely obstructed by at least one diffuser filter 9.
  • any light entering the measuring chamber 7 from the outside is diffused through the passage of said diffuser filter 9. It is thus homogenized in the interior of the the measuring chamber 7.
  • a measurement of light can thus be carried out identically at any point of the measuring chamber 7, which allows a large latitude of positioning for an optical sensor 5, inside the measuring chamber 7.
  • the diffuser filter 9 has a very low attenuation.
  • the target zone 3 is limited by the external surface of the diffuser filter 9.
  • the outer surface of the diffuser filter 9 also provides a bearing surface allowing contact of the sample 4 during a measurement sequence.
  • the diffuser filter 9 further protects the inside of the measuring chamber 7 against the possible introduction of solid or liquid foreign bodies.
  • the measuring chamber 7 also comprises an inner bottom 10. This inner bottom 10 is centered on the optical axis 2 and has a surface capable of receiving the plurality of optical sensors 5.
  • the spectrometer 1 comprises a main lighting device 12. This main lighting device 12 is able to illuminate the sample 4. It is placed outside the chamber of measure 7.
  • the function of the main illumination 12 is to illuminate the sample 4 in a sufficiently powerful manner to produce a diffuse reflection that can be measured by the plurality of optical sensors 5.
  • the direction of the main illumination 12 relative to the optical axis 2, in order to produce a diffuse reflection towards the measuring chamber 7 may be arbitrary since the diffuse reflection is omnidirectional. However, it is preferable that the main illumination 12 does not directly illuminate the opening 8, so as not to disturb the optical sensors 5 by a signal much more intense than that, back scattered, that it is desired to measure. For this, the main lighting device 12 must at least be arranged, on the opposite side to the target zone 3, relative to the plane 13 perpendicular to the optical axis 2 and passing through the diffuser filter 9 (said plane coincides with the plane of the opening 8 and with the laying of the sample 4).
  • the spectrum 22 of the retro light diffused into the measuring chamber 7 is analyzed by means of optical sensors 5.
  • the latter advantageously perform intensity measurements at certain discrete wavelengths that are particularly chosen. It is thus necessary for the spectrum 21 of the light emitted by the main lighting device 12 to contain all the wavelengths for which it is desired to measure an attenuation by means of the optical sensors 5.
  • a first simple means consists in using a device main illumination 12 having a broad spectrum including all wavelengths particularly chosen. However, it is noted that lighting having at least only said wavelengths chosen particularly is sufficient. However, it is easier to achieve broad spectrum lighting typically covering wavelengths between 300 and 1800 nm. Such a spectrum thus covers all the wavelengths corresponding to all the compounds whose content one may wish to measure.
  • a spectrum between 300 and 1100 nm is sufficient to cover the chosen wavelengths.
  • the main lighting device 12 is advantageously arranged annularly around the optical axis 2 in order to increase the amount of light illuminating the sample 4. It is advantageous to increase as much as possible this amount of light, to improve the sensitivity of the spectrometer 1, despite a low "yield" of the retro-diffusion.
  • a reflector 17, for example metallized and annular, can still be used in order to concentrate the luminous flux of the illumination towards the target zone 3 and the sample 4.
  • the main lighting device 12 is protected by a protective wall 18.
  • this wall is advantageously translucent and optically neutral. However, it allows to protect the components of the main lighting 12 against foreign bodies.
  • This protective wall 18 is, for example, made of glass.
  • the function of the measuring chamber 7 is to accommodate the optical sensors 5. However, these optical sensors 5 can not all be arranged in one and the same ideal measurement location. This is compensated by a homogenization of any light signal entering the measuring chamber 7, made by at least one diffuser filter 9.
  • the shape of the internal lateral wall 19 of the the measuring chamber 7 can be any provided that it is at least included in a conical envelope whose opening angle 20 remains less than or equal to the diffusion angle 11 of the diffuser filter 9.
  • this side wall 19 may be conical, cylindrical, spherical or other.
  • the diffusion homogenization effect is further improved by an embodiment where said inner wall 19 of the measuring chamber 7 is optically absorbent. This can be done, in known manner, by a suitable material or coating.
  • a first embodiment ideally uses an inner bottom 10 of the measuring chamber 7 having a spherical cap shape, the center of this sphere being located at the target area 3.
  • an optical sensor 5, mounted flat on the inner bottom 10 has in fact its optical axis 6, normal to the surface of the spherical cap, aligned with the target area
  • the realization of a spherical interior bottom is complex and it is preferred a simpler background plan.
  • the optical axis 6 of an optical sensor 5 is all the more misaligned with the target zone 3 that the optical sensor 5 is mounted far from the optical axis 2. Two techniques will be described here. afterwards in order to correct / compensate for this axial misalignment.
  • the intensity of light received within the measurement chamber 7 must be maximized.
  • the geometry of the measuring chamber 7 can also be optimized.
  • the proportion of said measuring chamber 7 is advantageously designed so as to have a maximum photometric gain G.
  • the photometric gain G is defined by the formula:
  • G 100. - ⁇ , where ⁇ is the diameter of the opening 8, and L is
  • the diameter ⁇ is related to the typical dimensions of the samples 4.
  • the size of the inner bottom 10 depends on the number of optical sensors 5 used. This number depends on the contents that one wishes to measure.
  • the opening angle of the measuring chamber is at least equal to the diffusion angle of the diffuser filter 9. An opening 11 of the measuring chamber 7 is too great and harmful in that part of the light entering the measuring chamber 7 is lost.
  • the opening of the chamber is chosen to be greater, but almost equal to the diffusion angle of the diffuser filter 9.
  • the geometry of the measuring chamber 7 is thus determined, and a minimum length L that satisfies the previous condition is advantageously chosen. angle.
  • the measuring chamber 7, and particularly its inner bottom 10 is equipped with optical sensors 5.
  • said retro-reflective spectrum 22 of which one example is illustrated in Figure 7 compared to the illumination spectrum 21 shown in Figure 6, is analyzed by means of light intensity measurements.
  • these measurements are performed on a set of discrete values of wavelengths chosen as a function of all the compounds whose content is to be determined.
  • an optical sensor 5 measuring the light intensity in a narrow band centered on said wavelength.
  • the choice of said wavelengths is advantageously obtained by an optimization taking overall account of all the compounds whose content is to be determined and which is described later.
  • an optical sensor 5 comprises, for example, a photodiode 25 and an optical filter 26 disposed in front of a sensitive surface of said photodiode 25.
  • said photodiode 25 measures only the photodiode 25.
  • the photodiode may be a silicon (Si) or an indium gallium arsenide (InGaAs) type photodiode. It is able to output an analog electrical signal indicative of the received light intensity.
  • the photodiode 25 is a photodiode with large receptive surface, in order to improve the quantity of light received. This contributes to improving the signal-to-noise ratio and the sensitivity of the spectrometer 1.
  • By associating the different geometrical, optical and electronic characteristics of the spectrometer it is possible to obtain a signal-to-noise ratio of light intensity measurements greater than or equal to 6000, which makes possible the determination of very low compound content.
  • the optical filter 26 is advantageously a narrow bandpass filter centered on said wavelength. Filters having a bandwidth of 4 nm make it possible to obtain a satisfactory result.
  • the size of the optical filter 26 is sufficiently large to cover as completely as possible the sensitive surface of the photodiode 25 with which it is associated in order to maximize the light output of the optical sensor 5.
  • the optical filter 26 is advantageously plated at most close against the sensitive surface of the photodiode 25.
  • the optical sensors 5 are assembled and positioned by a multi-piece assembly.
  • a first substantially planar rigid support part 30 accommodates the photodiodes 25 and ensures their precise positioning.
  • this part 30 may be a printed circuit 30.
  • the photodiodes are then positioned by welding and the printed circuit still provides the wiring of the photodiodes.
  • a second substantially flat rigid spacer part 31, in which are cut housing suitable for receiving the optical filters 26, ensures their positioning relative to the photodiodes 25 in the plane of the assembly.
  • a third substantially flat intermediate piece 32, made of an elastic material, is cut so as to be superimposed on the support piece 31.
  • the cumulative thickness of the support piece 31 and the intermediate piece 32 is such that it is greater than the thickness of the optical filters 26 when the insert 32 is at rest, and less than said thickness when the insert 32 is compressed.
  • a fourth clamping piece 34 maintains the assembly.
  • the fourth clamping piece 34 comprises, at the level of the optical filters 26, cutouts that reveal at least the sensitive surface of each photodiode 25, but cover the periphery of each optical filter 26 in order to maintain it.
  • the compression of the intermediate part 32 ensures a play clearance, and a plating of the optical filters 26 against the photodiodes 25, in the direction of the axis 6 of the optical sensor, perpendicular to the assembly plane.
  • the spacer pieces 31 and spacer 32 are combined into a single elastic part 31 ensuring their functions.
  • FIG. 16 illustrates an embodiment of the processing chain associated with an optical sensor 5.
  • Each optical sensor 5 is associated with an amplifier / filter 40, 41, in order to to process the electrical output signal of the optical sensor 5.
  • This signal processing filter comprises at least one amplifier 40.
  • the gain of each amplifier 40, associated with an optical sensor 5 is separately adjustable, in order to maximize the excursion of the measurement of the observable luminous intensity on this optical sensor 5, in normal measurement conditions.
  • the gain of the amplifier 40 is then adjusted so that this maximum value of intensity corresponds to the maximum value of the acceptable measurement by an acquisition device 42 downstream. This makes it possible to make the most of the signal measured by taking advantage of the dynamics of the processing device 42 downstream in order to obtain a high sensitivity and a better signal-to-noise ratio.
  • the optical sensor processing chain may further include other components. It is thus possible to use filters 41 or other components, in order to carry out any pretreatment of the electrical measurement signal.
  • the processing device 42 is advantageously an analog digital converter 42 for interfacing with a logic processing unit 60 described below. Depending on the number of optical sensors 5, it is still possible to use a multiplexer to multiplex said optical sensors 5 with said logic processing unit 60.
  • the optical sensors 5 should target the target zone 3.
  • a first embodiment with a spherical interior bottom fulfills this condition, but proves difficult to implement, particularly in the preferred embodiment using a printed circuit board.
  • a flat bottom 10 is therefore prefer.
  • the axis 6 of an optical sensor 5 no longer targets the target zone 3, and is further misaligned with respect to a direction targeting the target zone 3 that the optical sensor 5 is mounted far away of the optical axis 2.
  • a first embodiment consists in correcting said misalignment by an angular correction, for example by means of a radially arranged bias support, for each optical sensor 5, the bias being a function of the distance to the optical axis 2, in order to reproduce the angle that the optical sensor 5 would present, mounted on a spherical cap.
  • an angular correction for example by means of a radially arranged bias support, for each optical sensor 5, the bias being a function of the distance to the optical axis 2, in order to reproduce the angle that the optical sensor 5 would present, mounted on a spherical cap.
  • a second embodiment is to correct either said misalignment but its consequence.
  • Axial misalignment modifies in a known manner the measured wavelength of the light signal by shifting it towards blue.
  • the axial misalignment angle is known, its consequence on the measurement of the light signal can be corrected by shifting the wavelength associated with the optical sensor 5 by a value corresponding to said misalignment angle. This shift is achieved by the choice of the optical filter 26 during its design.
  • the optical sensor is "adjusted" over an offset wavelength ⁇ 'as a function of the wavelength ⁇ and the distance (or misalignment angle of the axis 6) of the optical sensor 5 relative to the optical axis 2.
  • the wavelengths associated with said optical sensors 5 make it possible to characterize the backscattered light spectrum.
  • the number and values of the wavelengths retained may be arbitrary. However, a judicious choice of this number and these values makes it possible to improve the quality of the measurements considerably.
  • the number of wavelengths and the particular values of these wavelengths can be globally chosen as a function of the set of compounds whose contents are to be determined.
  • An example of a method for determining wavelengths is based on an overall optimization obtained by maximizing an objective or performance function.
  • An extended set of candidate wavelengths Ai..A m The cardinal m of this set can be very big. Thus it is possible to leave by including all the wavelengths of the spectrum retained, with a given pitch of 1, 2 or a few nm, or of all commercially available wavelengths. Any selection of n, n ⁇ m, wavelengths is considered in this set, and the objective function is calculated for this selection S.
  • the objective function F is chosen such that its value F (S) is maximum when the Optical sensors associated with the selection S of wavelengths achieve a minimum error with a minimum number of wavelengths.
  • An example of a function is given by the formula:
  • Ei is the prediction error obtained for the i th compound to be predicted
  • Si is the standard deviation of concentration of this i th compound to be predicted.
  • the choice of the four compounds: water, sugar, anthocyanin polyphenols, acid makes it possible to determine an optimal series of 13 "theoretical" wavelengths: 440, 520, 665, 690, 740, 770, 805, 840, 875, 910, 945, 980 and 1015 nm.
  • the "corrected" wavelengths become: 442, 522, 668, 693, 743, 773, 809, 844 , 879, 914, 946, 981 and 1016 nm.
  • the spectrometer 1 advantageously comprises a reference lighting device 50.
  • the objective of the reference lighting device 50 is to make it possible to perform a reference measurement similar to the actual measurement, except that the light is not 4. By comparing the two measurements obtained with and without attenuation by the sample 4, it is possible to determine with greater precision the influence of the sample 4, in terms of attenuation of the sample. the light.
  • This reference lighting device 50 is chosen so as to emit a spectrum of light that is as identical as possible to that emitted by the main lighting device 12.
  • the reference lighting device 50 emits, under the conditions of comparable use, at any time, a spectrum having the same characteristics, despite the possible temperature changes of the lighting devices and despite their aging, that the spectrum 21 emitted by the main lighting device 12.
  • a means to achieve this objective is to reproduce identically the structure of the main lighting device 12 by producing a reference lighting device 50 composed of the same number of constituents (bulbs, LEDs, ...), of the same type, of same reference and manufacturing batch as those of the main lighting device 12.
  • a main illumination 12 may comprise incandescent lamps supported by LEDs in order to increase the luminous flux
  • the reference illumination 50 comprises only incandescent lamps of the same type, same reference and same batch of manufacturing.
  • the lighting devices 12, 50 have identical temperatures and therefore identical spectra.
  • the reference lighting device 50 is arranged outside the measuring chamber 7, so that its light illuminates the inner wall 10 of the measuring chamber 7, where the optical sensors 5 are arranged, after having been diffused by the diffuser filter 9.
  • FIGS. 3 and 4 A possible arrangement is illustrated in FIGS. 3 and 4, where the reference lighting device 50 is arranged on the edge of the diffuser filter 9.
  • the optical spectrometer 1 according to the invention further advantageously integrates other optical sensors in order to simultaneously perform other measurements on the same sample 4.
  • the optical spectrometer 1 may comprise a system for measuring the color 51, 52 of the sample 4.
  • the system comprises a third illumination device 51 and a color optical sensor 52.
  • This color measuring system operates according to the third mode of surface reflection.
  • the illumination axis of sample 4 and the color measurement axis should be arranged symmetrically to each other with respect to optical axis 2 assuming sample 4, supported against the plane of the opening 8 at the target zone 3, has a normal parallel to said optical axis 2.
  • a necessary configuration to achieve this condition is that both the third lighting device 51 and the optical sensor of color 52 are targeting target area 3.
  • the third lighting device 51 and the color optical sensor 52 are arranged on the inner bottom 10.
  • the opening 8 of the measuring chamber 7 is equipped with a lens 55 closing the opening 8 on the outside relative to the diffuser filter 9, and the third lighting device 51 and the sensor color optics 52 are arranged between the diffuser filter 9 and the lens 55.
  • a lens 55 closing the opening 8 on the outside relative to the diffuser filter 9, and the third lighting device 51 and the sensor color optics 52 are arranged between the diffuser filter 9 and the lens 55.
  • the target zone 3 is, according to this embodiment, located outside this lens 55.
  • This lens 55 then replaces the diffuser filter 9 in its support functions of the sample 4 and protection of the measuring chamber 7 against foreign bodies.
  • This lens 55 may be of optically neutral translucent material such as glass.
  • This lens 55 may also advantageously be a second diffuser filter.
  • the third lighting device 51 is advantageously a broad-spectrum light source, comparable to the main lighting device 12. It may be a LED emitting a white spectrum in order to reduce the space occupied.
  • a cache 56 advantageously makes it possible not to directly illuminate the near color optical sensor 52.
  • the optical color sensor 52 measures, in known manner, the intensities in three colors, typically red, green and blue.
  • the color optical sensor 52 comprises three individual sensors each measuring one of the three colors selected. These three sensors can still be integrated into a single component.
  • the optical spectrometer 1 may further comprise a fluorescence measurement system 53, 54 of the sample 4.
  • This system comprises a fourth lighting device 53 and a specific optical sensor 54.
  • This fluorescence measuring system 53, 54 functions, by retransmission.
  • the fourth lighting device 53 and the specific optical sensor 54 target the target zone 3.
  • the fluorescence measuring device may, according to a first embodiment, be arranged on the inner bottom 10. It is advantageous that the fourth lighting device 53 and the specific optical sensor 54 are both arranged, on the inner bottom 10, coinciding with the optical axis 2.
  • the fourth lighting device 53 and the color optical sensor 54 are arranged between the diffuser filter 9 and the lens 55. Such a configuration is illustrated in FIG.
  • the principle of fluorescence consists in illuminating a sample 4 with a light comprising at least a first wavelength particularly chosen to cause, in the presence of a particular reactive compound, a light emission back at a second wavelength.
  • the fourth lighting device 53 is then a monochromatic light source centered on said first wavelength or whose spectrum comprises at least this wave length.
  • the specific optical sensor 54 is then a sensor responsive to the second wavelength, such as for example a photodiode equipped with a spectral optical filter passes band centered on said second wavelength.
  • a particular application in the illustrative example of grapevine and grape, is the detection of a parasitic fungus named botrytis.
  • This fungus has a fluorescent effect.
  • the botrytis When illuminated by a monochromatic light with a central wavelength of 380 nm, the botrytis reacts by re-emitting 522 nm central wavelength light, detectable with a specific optical sensor 54 centered on this wavelength.
  • Illumination comprising the wavelength 380 nm can be achieved by means of a UV LED producing a spectrum of 380 nm +/- 15 nm.
  • the optical spectrometer 1 further comprises a logic processing unit 60.
  • the latter is typically organized around a microprocessor or microcontroller computer system, equipped with peripherals, operating under the software control.
  • This logic processing unit 60 is interfaced with the various electrical devices: lighting devices 12, 50, 51, 53 and optical sensors 5, 52, 54.
  • said logic processing unit 60 is able to control the selective ignition lighting devices 12, 50, 51, 53. It is still able to acquire measurements from the various optical sensors 5, 52, 54 and their chains 40, 41, 42, signal processing. It is also able to produce determinations by calculation from measurements from said optical sensors 5, 52, 54. It is still able to store and restore both said measurements and said determinations.
  • the optical spectrometer 1 further comprises a human machine interface 61, interfaced with said processing unit 60.
  • This man-machine interface 61 comprises at least one input means 62, and one output means 63.
  • An input means 62 is typically a button, a keyboard or a trigger 62, adapted to allow a user of optical spectrometer 1, to trigger a program performing a sequence of measurements, for example according to the method which is described below.
  • An output means 63 is typically a display for example a screen 63 capable of displaying the results of the measurements. Other input means may be present in order, for example, to make it possible to configure the optical spectrometer 1.
  • This means may comprise an internal memory, possibly removable, for example in the form of a flash memory card, in order to be able to transmit measurements. or determinations to another storage or processing unit. It is possible to redundant this storage means in order to guarantee a safeguard of the measurements and determinations. Thus any measurement can in parallel be stored in a resident internal flash type memory or EEPROM, for example, and redundantly, for example, on a removable memory type SD memory card.
  • This transmission means 65 may comprise a wired connection (RS, Ethernet, parallel, USB, ...) or wireless (Wifi, GSM, GPRS, BlueTooth, ).
  • the advantage of a terrestrial link is that it can transmit almost immediately measurements made in the field to a central storage and processing unit.
  • one or more spectrometers perform measurements of the content of compounds in the ranks of a vineyard. These measurements are transmitted to a central processing logic unit located for example in the cellar, which compiles all the measurements to produce more global results. So, by For example, grade measurements can feed an application to predict the optimal harvest date.
  • the optical spectrometer 1 may further comprise a geolocation device 66.
  • This device 66 may be a GPS receiver, GPRS or equivalent. It is advantageously interfaced with the logical processing unit 60, to which it provides locations and, where appropriate, a precise date / time.
  • the logical processing unit 60 may advantageously associate with a measurement its geographical location and / or its date / time, at the moment of the measurement or determination. This is interesting in order to map measures at different locations in an establishment or operation.
  • the optical spectrometer 1 is advantageously portable / portable in that all its components can be made sufficiently small.
  • the electric autonomy is provided by a battery 68 integrated in the device.
  • FIGS. 18 and 19 an exemplary embodiment is shown which can be carried by means of a handle 67 and operated with one hand by an operator, who can thus use his free hand to present the sample 4 in the target area 3.
  • the invention also relates to a method of using such an optical spectrometer 1.
  • acquisitions are made.
  • a first measurement is performed, by means of the optical sensors 5, in the presence of a sample 4 whose compound contents are to be determined, the latter being placed in the target zone 3.
  • the sample 4 is illuminated by the main lighting device 12, the latter being lit alone, excluding the reference lighting device 50, the third lighting device 51 and the fourth lighting device 53, if they are present.
  • Each of the optical sensors 5 performs, substantially at the same time, a measurement mi, where the index i describes the set of sensors optics 5, comprising n elements. This measure is called "real".
  • the same optical sensors 5 are again measured, all the lighting devices being extinguished: main lighting device 12, reference lighting device 50, third device lighting 51 and fourth lighting device 53.
  • the presence of the sample 4 is here advantageous in order to be able to compare the different measurements. Also these different measurements are they, preferably, carried out in a short time interval, their relative order being indifferent.
  • Each of the optical sensors 5 acquires, substantially at the same time, a measurement bi, where the index i describes the set of optical sensors 5, comprising n elements. This measurement is named "black”. It is indicative of the optical background of the sensors and the environment, and is then removed from other measurements.
  • a compensation device is used.
  • the reference lighting device 50 is designed to produce a spectrum, which, even if it changes slowly over time, remains at all times identical to the spectrum of the main lighting device 12. This makes it possible to achieve compensation by comparing a measurement made by analyzing the light from the main lighting device 12 after retro-diffusion by the sample 4 and a measurement made by analyzing the light, theoretically identical, directly from the reference illumination 50.
  • the different measurements are preferably made in a short time interval, but their order is indifferent.
  • a measurement is made by the same optical sensors 5, the reference lighting device 50 being lit alone.
  • the other lighting devices: main lighting device 12, third lighting device 51 and fourth lighting device 53 are extinguished.
  • the presence of the sample 4 is here again necessary in order to produce comparable conditions.
  • Each of the optical sensors 5 performs, substantially at the same time, a measurement ri, where the index i describes the set of optical sensors 5, comprising n elements. This measurement is named "reference”. It is indicative of the spectrum of the illumination light when it is not modified by the sample 4. This measurement ri can be further improved by removing the bi-black measurement.
  • the method then comprises a derivation step second in which are calculated Dj . for i between 1 and n.
  • This step applies the formulas:
  • the method further comprises a normalization step with a standard equal to the sum of the
  • the method further comprises a step where the i resulting from the measurements are then transformed by linear combination, in order to determine the contents M j of the compound of the sample 4 according to the formula:
  • Ni is the number previously determined from n measurements Xi resulting from optical sensors, i between 1 and n, n being the number of optical sensors 5,
  • M j is the compound content of the j th, j between 1 and p, p being the number of compounds,
  • SM j i is a characteristic coefficient.
  • the SMji are a set of characteristic coefficients of the compounds whose contents are to be measured and of n optical sensors or equivalent, of the n wavelengths associated with these optical sensors.
  • the matrix SM of dimension [n + 1, p] of the coefficients SM j i is thus characteristic of the coupling between these wavelengths and said compounds.
  • the matrix SM is thus a characteristic of the configuration of a spectrometer 1 according to the invention and of its method use. It is stored in the memory of the logic processing unit 60.
  • the change of destination of the spectrometer to make it able to determine the contents of other compounds requires a reconfiguration including the modification of the wavelengths (if any of their number) which can be achieved by modifying the optical filters 26, as well as the concomitant modification of the matrix SM, which can be carried out by modification in the memory of the processing logic unit 60.
  • a method of determining this matrix SM characteristic will now be described.
  • the matrix of coefficients SM j i establishes a linear relationship between the contents M j of the compounds, describing the set of p compounds and the determinations Ni, i describing all of the n optical sensors 5, calculated from the measurements made by n optical sensors 5.
  • the coefficients SM j i of this relationship are identified by any known method, from a series of measurements on samples 4, carried out with the spectrometer according to the invention to determine the i, the contents j of these same samples being known. for example by means of a measurement made using a laboratory spectrometer.
  • a known applicable method is multiple linear regression.
  • n 13 wavelengths (440, 520, 665, 690, 740, 770, 805, 840, 875, 910, 945, 980, 1015).
  • n 13 wavelengths (440, 520, 665, 690, 740, 770, 805, 840, 875, 910, 945, 980, 1015)
  • FIGS. 23 and 24 two examples of matrix SM are shown in FIGS. 23 and 24.
  • the matrix SM (90) of FIG. 23 is applicable to black / red grapes
  • the matrix SM (98) of Figure 24 is applicable to white grapes.
  • the first of these matrices 90 comprises four lines, 91-94, corresponding respectively to the 4 compounds sugar, acid, anthocyanin and water.
  • the second of said matrices 98 has only three lines, the anthocyanin compound does not exist for white grapes. It still includes 14 columns. The first 13 columns corresponding to the 13 optical sensors, thus the first column 95 and the last column 96.
  • An additional column 97 contains the coefficients SM jn + i offset.
  • the method further comprises, optionally, in the same measurement sequence, in order to take advantage of the presence of the sample 4 in the target zone 3, a measurement of the color of the sample 4. For this purpose, an acquisition is performed by means of the color optical sensor 52, the third lighting device 51 being lit alone to illuminate the sample 4. This makes it possible to obtain a "true color" measurement m c of the color of the sample 4.
  • this measurement can be corrected by subtracting a "black” measurement and by compensation by means of a "reference” measurement.
  • the method further comprises a step of obtaining a "color reference" measurement r c , by acquisition by means of the color optical sensor 52, the reference lighting device 50 being lit alone.
  • the color optical sensor 52 is directly illuminated without modification caused by the retro-diffusion by the sample 4.
  • a "black color” measurement b c is performed by acquisition by means of the color optical sensor 52, all lighting devices 12, 50, 51, 53 being extinguished.
  • the method further comprises, optionally, in the same measuring sequence to benefit from the presence of the sample 4 in the target zone 3, a measurement sample fluorescence 4.
  • a Acquisition is carried out by means of the specific optical sensor 54, the fourth lighting device 53 being alone lit to illuminate the sample 4 with a light comprising at least a first particular wavelength. This makes it possible to obtain a "real fluorescence" measurement m f of the sample 4.
  • this measurement can be corrected by subtracting a "black” measurement. Compensation by means of a "reference” measure is not applicable.
  • the method further comprises a step of obtaining a measurement "black fluorescence" b f , achieved by acquisition by means of the specific optical sensor 54, all lighting devices 12, 50, 51, 53 being extinguished.
  • a typical measurement sequence is, for example, triggered by action on the gate type input means 62, of the man-machine interface 61.
  • the various acquisition operations are carried out, accompanied by the commands of FIG. corresponding lighting devices.
  • the various treatments can then be carried out in order to produce the final determinations: p contents of the compound and, if appropriate, color and presence / level of the compound detected by fluorescence. These values can be displayed on the output means 63 of the man-machine interface 61.
  • FIG. 22 An illustrative example of a measurement sequence ( Figure 22) includes the following sequence of operations:
  • n ir i between 1 and n, n c and n f ,
  • a logic processing unit 60 is advantageous in that it makes it possible to perform various treatments on the measurements obtained. Other determinations may be calculated and, if appropriate, displayed on the output means 63.
  • a confidence index for example based on the standard deviation of a measurement.
  • the display of this confidence index allows him to determine whether he should continue or whether he can curtail his measurement campaign. It can still be realized a pass / pass test not acceptance of a measurement sequence.
  • An example of an optical anomaly is a measurement that would be made by pointing the spectrometer 1 towards an intense light source, such as the sun. Such a measurement would be completely distorted by a blindness of very sensitive optical sensors.
  • the method may further comprise, as soon as the measurements and determinations have been completed, a storage step.
  • This storage may be local on an internal storage means 64 and reside in the spectrometer and / or on a removable means of the memory card type. It is still possible to carry out an alternative or complementary transmission step to another logical processing unit, either in real time as soon as the measurement or determination is available or in batch delayed time.
  • the measurement sequence may also include the determination of a position by means of the geolocation device 66. This position may advantageously be joined to a measurement or determination made at this position.

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Abstract

Spectromètre optique autonome et portatif, destiné à analyser un spectre lumineux rétro diffusé par un échantillon éclairé, afin d'en déduire une teneur d'au moins un composé constituant l'échantillon, ledit spectromètre étant organisé autour d'un axe optique et comprenant : - une zone cible centrée sur ledit axe optique, - une pluralité de capteurs optiques visant la zone cible, - une chambre de mesure opaque comprenant : - une ouverture centrée sur ledit axe optique, - au moins un filtre diffuseur obstruant ladite ouverture, - un fond intérieur apte à accueillir la pluralité de capteurs optiques, un dispositif d'éclairage principal, apte à éclairer l'échantillon. Méthode d'utilisation d'un tel spectromètre.

Description

Spectromètre optique, en particulier spectromètre optique autonome et portable.
La présente invention concerne un spectromètre optique, en particulier spectromètre optique autonome et portable, destiné à analyser le spectre lumineux rétro diffusé par un échantillon soumis à un éclairage, afin de déterminer une teneur d'au moins un composé constituant l'échantillon. Dans le domaine de l'analyse de la teneur d'un composé d'un échantillon de matière, il est connu de réaliser une détermination au moyen d'un spectromètre de masse, au moyen d'un spectromètre optique ou encore par chromatographie . Ces principes de mesure nécessitent des appareils de laboratoire qui sont des équipements très généralistes, lourds et coûteux.
De nombreux utilisateurs ressentent aujourd'hui le besoin de pouvoir réaliser de telles analyses rapidement, directement sur le terrain. Dans le domaine agroalimentaire, on peut ainsi citer la viticulture, où le suivi de la maturité du raisin en mesurant l'évolution de la teneur en sucre, en acide ou encore en anthocyane, de préférence sur pied, permet de déterminer une date optimale de récolte. On peut encore citer la viniculture où il est intéressant de mesurer l'évolution de la teneur en alcool afin de suivre le processus de fermentation. L'oléiculture est un autre domaine d'application, où un suivi de la maturité de l'olive par la mesure de la teneur en huile et en eau de l'olive, si possible sur l'arbre, permet de déterminer un moment opportun de récolte. De manière similaire la mesure de la teneur en sucre d'un fruit, tel que : pomme, poire, melon ... permet d'évaluer la maturité et de déterminer une date optimale de récolte. On peut citer encore les grandes cultures céréalières où une mesure de la teneur en azote dans une feuille permet la détermination d'un apport d'engrais azoté raisonné. Les exemples ici cités proviennent de l'industrie agroalimentaire, mais l'on- pourrait en citer d'autres issus d'autres industries, telles que pétrochimie (analyse de teneurs en hydrocarbures), diagnostic médical (mesure du taux de sucre pour un diabétique) , etc.
La viticulture, est soumise aujourd'hui à une exigence croissante d'optimisation des rendements et de la qualité afin de mieux adapter les productions aux demandes du marché et aux attentes des consommateurs. Pour répondre à cette exigence, une solution consiste à mieux évaluer les critères de maturité du raisin afin de prédire une date optimale de récolte . Depuis la véraison jusqu'à la maturité des raisins, des tests de suivi de maturité sont réalisés. Ces tests nécessitent actuellement des prélèvements d'échantillons de grappe ou de baie sur différentes parcelles. Ces échantillons sont ensuite transmis à des laboratoires d'analyse. Les mesures ainsi réalisées sont contraignantes et onéreuses. Elles nécessitent la destruction des échantillons. La collecte d'échantillon est longue. Les analyses en laboratoire sont coûteuses. De plus, ce mode opératoire ne permet de connaître qu'à posteriori l'état d'avancement de la maturité.
Il apparaît donc un besoin pour un appareil portable, autonome, utilisable sur le terrain, capable de collecter les mesures de teneurs de certains composés choisis, directement sur un produit.
La présente invention permet de répondre à ce besoin en proposant un spectromètre optique autonome et portatif, capable de mesurer, directement sur le produit, sans nécessiter sa destruction, les teneurs d'un ou plusieurs composés configurables.
L'invention a pour objet un spectromètre optique, en particulier du type autonome et portatif, destiné à analyser un spectre lumineux rétro diffusé par un échantillon éclairé, afin d'en déduire une teneur d'au moins un composé constituant l'échantillon, ledit spectromètre étant organisé autour d'un axe optique et comprenant :
- une zone cible centrée sur ledit axe optique et apte à accueillir ledit échantillon,
une pluralité de capteurs comprenant au moins un capteur optique visant la zone cible,
- une chambre de mesure opaque à la lumière comprenant :
- une ouverture centrée sur ledit axe optique,
- au moins un filtre diffuseur obstruant ladite ouverture,
- un fond intérieur centré sur ledit axe optique et apte à accueillir ladite pluralité de capteurs optiques ,
ladite zone cible étant située à proximité de ladite ouverture, à l'extérieur de la chambre de mesure,
- un dispositif d'éclairage principal, apte à éclairer ledit échantillon.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif d'éclairage principal est disposé, relativement au plan perpendiculaire à l'axe optique passant par le filtre diffuseur, du côté opposé à la zone cible.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'angle d'ouverture de la chambre de mesure depuis l'ouverture, est inférieur ou égal à l'angle de diffusion du filtre diffuseur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le fond intérieur présente une forme sphérique centrée sur la zone cible, ou une forme plane perpendiculaire à l'axe optique.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la chambre de mesure présente un gain photométrique G au moins égal à . Selon une autre caractéristique l' invention, chaque capteur optique est apte à mesurer intensité lumineuse selon une longueur d' onde donnée.
Selon une autre caractéristique de l' invention, chaque capteur optique comprend encore un amplificateur présentant un gain réglé de manière à maximiser l'excursion de la mesure d'intensité lumineuse.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le spectromètre comprend encore un dispositif d'éclairage de référence, reproduisant les caractéristiques lumineuses du dispositif d'éclairage principal, disposé à l'extérieur de la chambre de mesure de manière à éclairer directement le fond intérieur au travers du filtre diffuseur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le spectromètre comprend encore un système de mesure de la couleur de l'échantillon comprenant un troisième dispositif d'éclairage et un capteur optique de couleur, tous deux visant la zone cible.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le spectromètre comprend encore un système de mesure par fluorescence de l'échantillon comprenant un quatrième dispositif d'éclairage et un capteur optique spécifique, tous deux visant la zone cible.
Selon une autre caractéristique de l' invention, le spectromètre comprend encore une unité de traitement logique apte à commander l'allumage sélectif des dispositifs d'éclairages, à acquérir, traiter, stocker et restituer les mesures et les déterminations obtenues par traitements à partir de ces mesures issues des capteurs optiques, du capteur optique de couleur et du capteur optique spécifique, et une interface homme machine, interfacée avec ladite unité de traitement logique apte à déclencher une séquence de mesures et à afficher les résultats.
Selon une autre caractéristique de l'invention, spectromètre comprend encore un dispositif de localisation .
Selon une autre caractéristique de l'invention, le spectromètre comprend encore un dispositif de transmission d' informations .
L'invention concerne encore un procédé d'utilisation d'un tel spectromètre optique, comprenant une étape d'obtention par acquisition, d'une mesure "réel" mi, où l'indice i décrit de 1 à n la pluralité de capteurs optiques, en présence d'un échantillon dans la zone cible, le dispositif d'éclairage principal étant seul allumé.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé comprend encore une étape d'obtention par acquisition, d'une mesure "noir" b±, où l'indice i décrit de 1 à n la pluralité de capteurs optiques, tous les dispositifs d'éclairage étant éteints.
Selon une autre caractéristique de l' invention, le procédé comprend encore une étape d'obtention par acquisition, d'une mesure "référence" ri, où l'indice i décrit de 1 à n la pluralité de capteurs optiques, le dispositif d'éclairage de référence étant seul allumé.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé comprend encore une étape de détermination de valeur
Xi corrigée pour i compris entre 1 et n, telle que
Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé comprend encore une étape de dérivation seconde, afin d'obtenir Di pour i compris entre 1 et n, telle que i v i 2' , 1 ' '"' ,+l pour i compris entre 2 et n-1, Dn=l{X„-Xn_x).
Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé comprend encore une étape de normalisation, afin d'obtenir Ni, pour i compris entre 1 et n, telle que
Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé comprend encore une étape de détermination de la teneur en composé Mj de l'échantillon, où l'indice j décrit de 1 à p l'ensemble des composés dont on mesure les teneurs, par application de la formule : Mj=SMjn+i+' Ni.SMji
=1
où SMji est un coefficient caractéristique. Un avantage du spectromètre et du procédé selon l'invention est de proposer un appareil portatif et autonome apte à être utilisé sur le terrain afin de produire, de manière non destructive, des mesures immédiatement exploitables, avec une précision comparable à celle des appareils de laboratoire et permettant de mesurer des teneurs en composés très faibles.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description détaillée donnée ci-après à titre indicatif en relation avec des dessins sur lesquels : .
- la figure 1 présente un schéma détaillant les principes optiques utilisés,
la figure 2 présente un schéma directeur de la géométrie d'un spectromètre selon l'invention,
- la figure 3 présente une vue en coupe d'un spectromètre selon un premier mode de réalisation,
- la figure 4 détaille l'ouverture du spectromètre de la figure 3,
- la figure 5 présente une vue en coupe d' un spectromètre selon un second mode de réalisation,
- la figure 6 illustre un spectre d'éclairage,
- la figure 7 illustre un spectre rétro diffusé,
- les figures 8 à 11 illustrent quatre conformations de chambre de mesure,
les figures 12 et 13 illustrent un dispositif de montage des capteurs optiques selon un premier mode de réalisation en vue perspective respectivement monté et éclaté,
- les figures 14 et 15 illustrent un dispositif de montage des capteurs optiques selon un second mode de réalisation en vue perspective respectivement monté et éclaté,
- la figure 16 présente un schéma d'une chaîne de mesure, - la figure 17 présente un schéma du système informatique du spectromètre,
la figure 18 présente une vue perspective du spectromètre,
- la figure 19 présente une vue perspective éclatée du même spectromètre,
les figures 20 et 21 présentent deux exemples d'utilisation du spectromètre,
- la figure 22 figure un organigramme d'une séquence de mesure,
- les figures 23 et 24 indiquent les coefficients caractéristiques de deux applications.
On se réfère auxdits dessins pour décrire des exemples avantageux mais non limitatifs de réalisation du spectromètre optique et de mise en œuvre du procédé selon l'invention.
La figure 1 illustre un principe optique. Un corps c éclairé par un rayon de lumière incident i, issu d'une source lumineuse s, réfléchit cette lumière selon au moins trois modes.
Dans un premier mode "spéculaire" un rayon réfléchi r, est principalement concentré selon une direction privilégiée . Cette direction est, déterminée par les lois de Descartes, symétrique relativement à la normale n à la surface du corps c au point d'impact du rayon incident i. L'angle entre le rayon incident i et la normale n est égal à l'angle entre la normale n et le rayon réfléchi spéculaire r. Dans un second mode "diffus" la lumière est rétro diffusée d de manière sensiblement homogène dans toutes les directions de l'espace. Ce second mode est mis à profit par l'invention. Il présente l'avantage de permettre une mesure en plaçant un capteur m dans toute direction de l'espace en étant assuré de pouvoir observer un même signal. Un inconvénient est que l'intensité de ce signal est faible relativement au signal spéculaire réfléchi r. Aussi l'invention présente t-elle plusieurs caractéristiques permettant d'améliorer la qualité de la mesure afin de compenser la relative faiblesse du signal reçu. Il convient cependant, pour observer ce mode diffus, de ne pas placer un capteur dans la direction r de réflexion spéculaire afin de ne pas risquer de l'aveugler/saturer, du fait des différences d'ordre de grandeurs des intensités lumineuses.
Au contraire du mode spéculaire où la réflexion s'effectue en surface de l'objet, le mode diffus s'accompagne d'une certaine pénétration de la lumière à l'intérieur du corps c. En fonction de la composition du corps c, le spectre de lumière se trouve modifié du fait d'atténuations différentielles, selon les longueurs d'onde. Ainsi, une propriété essentielle est qu'un signal rétro diffusé par un échantillon voit son spectre de longueurs d'onde modifié en fonction des composés présents dans l'échantillon qui absorbent de manière sélective certaines longueurs d'ondes caractéristiques desdits composés.
Le principe de mesure du spectromètre 1 selon 1 ' invention met à profit cette propriété. Il consiste à éclairer de manière active, avec une source lumineuse de spectre connu 21, un échantillon 4 disposé dans une zone cible 3, à mesurer la lumière réfléchie selon' le mode rétro diffusé par l'échantillon 4 au moyen de capteurs optiques 5 afin d'identifier et de caractériser le spectre rétro diffusé 22. Ensuite, à partir de cette mesure, une modification du spectre rétro diffusé 22 relativement au spectre d'éclairage 21 est déterminée. L'analyse de cette modification, en quantifiant les atténuations observables selon certaines longueurs d'onde caractéristiques permet de déduire les teneurs de certains composés constitutifs de l'échantillon 4. Un troisième mode de réflexion « de surface », dû aux micro rugosités de surface, existe encore et est utilisé pour l'observation de la couleur.
La figure 2 présente un synoptique de définition de la géométrie d'un spectromètre optique 1 selon l'invention tandis qu'est représenté aux figures 3 et 4, respectivement 5 et 6, un premier mode, respectivement un second mode, de réalisation illustratif d'un tel spectromètre optique 1. Le spectromètre optique 1 est organisé autour d'un axe optique 2. Une zone cible 3, centrée sur ledit axe optique 2, en périphérie du spectromètre est libre et accessible afin de permettre l'introduction d'un échantillon 4 à analyser. La taille de cette zone cible 3 est adaptée en fonction des produits que l'on souhaite analyser. Son centre 3 est situé à l'intersection de l'axe optique 2 et des axes 6 des capteurs optiques 5. Son étendue spatiale varie en fonction des types d'échantillon 4 traités et des caractéristiques optiques du spectromètre. L'échantillon 4 peut être un solide ou un liquide .
Le spectromètre optique 1 comprend une pluralité comprenant au moins un capteur optique 5. Chaque capteur optique 5 vise la zone cible 3. Autrement dit, son axe optique 6 passe par la zone cible 3.
Le spectromètre optique 1 comprend encore une chambre de mesure 7 globalement opaque à la lumière, à l'exception d'une ouverture 8. Cette ouverture 8 est centrée sur l'axe optique 2 et constitue l'unique voie d'entrée de lumière de l'extérieur vers 1 ' intérieur de la chambre de mesure 7. La zone cible 3 est proche de l'ouverture 8, tout en restant extérieure à ladite ouverture 8 et à la chambre de mesure 7.
L'ouverture 8 est encore totalement obstruée par au moins un filtre diffuseur 9. Ainsi toute lumière entrant dans la chambre de mesure 7 depuis l'extérieur se voit diffusée par la traversée dudit filtre diffuseur 9. Elle est ainsi homogénéisée dans l'intérieur de la chambre de mesure 7. Une mesure de lumière peut ainsi être réalisée de manière identique en tout point de la chambre de mesure 7, ce qui autorise une grande latitude de positionnement pour un capteur optique 5, à l'intérieur de la chambre de mesure 7.
Afin d'optimiser la puissance lumineuse entrant dans la chambre de mesure 7, le filtre diffuseur 9 présente une très faible atténuation. La zone cible 3 est limitée par la surface externe du filtre diffuseur 9. La surface externe du filtre diffuseur 9 fournit aussi une surface d'appui permettant une mise en contact de l'échantillon 4 pendant une séquence de mesure. Le filtre diffuseur 9 assure encore une protection de l'intérieur de la chambre de mesure 7 contre les introductions éventuelles de corps étrangers solides ou liquides.
La chambre de mesure 7 comprend encore un fond intérieur 10. Ce fond intérieur 10 est centré sur l'axe optique 2 et présente une surface apte à accueillir la pluralité de capteurs optiques 5.
Afin d'éclairer l'échantillon 4 de manière active, avec une source lumineuse de spectre 21 connu, le spectromètre 1 comprend un dispositif d'éclairage principal 12. Ce dispositif d'éclairage principal 12 est apte à éclairer l'échantillon 4. Il est placé à l'extérieur de la chambre de mesure 7.
La fonction de l'éclairage principal 12 est d'éclairer l'échantillon 4 , de manière suffisamment puissante afin de produire une réflexion diffuse qui puisse être mesurée par la pluralité de capteurs optiques 5.
La direction de l'éclairage principal 12 relativement à l'axe optique 2, afin de produire une réflexion diffuse en direction de la chambre de mesure 7 peut être quelconque puisque la réflexion diffuse est omnidirectionnelle . Il est cependant préférable que l'éclairage principal 12 n'éclaire pas en vue directe l'ouverture 8, afin de ne pas perturber les capteurs optiques 5 par un signal beaucoup plus intense que celui, rétro diffusé, que l'on souhaite mesurer. Pour cela le dispositif d'éclairage principal 12 doit au moins être disposé, du côté opposé à la zone cible 3, relativement au plan 13 perpendiculaire à l'axe optique 2 et passant par le filtre diffuseur 9 (ledit plan coïncide avec le plan de l'ouverture 8 et avec le plan de pose de l'échantillon 4 ) .
Puisque l'on veut exploiter la réflexion diffuse, d'intensité plus faible relativement à la réflexion spéculaire, il faut garantir qu'une réflexion spéculaire ne pénètre pas dans la chambre de mesure 7 (via l'ouverture 8), ce qui perturberait sensiblement la mesure par aveuglement des capteurs optiques 5. Ceci est obtenu par le positionnement précédemment décrit de l'éclairage principal 12, en coopération avec un positionnement de l'échantillon plaqué contre le plan 13. La présence d'un filtre diffuseur 9, en plus de sa fonction principale précédemment décrite, assure une fonction secondaire de diffusion d'une éventuelle réflexion spéculaire pénétrant dans la chambre de mesure 7. Cette diffusion atténue grandement les conséquences d'une telle réflexion. En dernier recours, un test d'acceptation, décrit plus loin, permet, le cas échéant, de détecter au niveau de la mesure, la présence d'une anomalie causée par une telle réflexion spéculaire. Entre l'émission par le dispositif d'éclairage 12 et la rétro diffusion, les longueurs d'onde ne sont pas modifiées, seules l'intensité de la lumière est plus ou moins atténuée selon les longueurs d'onde particulières d'absorption des composés constituants l'échantillon 4. Le spectre 22 de la lumière rétro diffusée dans la chambre de mesure 7 est analysé au moyen de capteurs optiques 5. Ces derniers réalisent avantageusement des mesures d'intensité selon certaines longueurs d'onde discrètes particulièrement choisies. Il est ainsi nécessaire que le spectre 21 de la lumière émise par le dispositif d'éclairage principal 12 contienne toutes les longueurs d'ondes pour lesquelles on souhaite mesurer une atténuation au moyen des capteurs optiques 5. Un premier moyen simple consiste à employer un dispositif d'éclairage principal 12 présentant un large spectre incluant toutes les longueurs d'ondes particulièrement choisies. On remarque cependant qu'un éclairage ne comportant a minima que lesdites longueurs d'onde particulièrement choisies est suffisant. Il est cependant plus aisé de réaliser un éclairage large spectre couvrant typiquement les longueurs d'ondes comprises entre 300 et 1800 nm. Un tel spectre couvre ainsi toutes les longueurs d'onde correspondant à tous les composés dont on peut souhaiter mesurer la teneur.
Dans le cas d'une application illustrative appliquée à la maturation du raisin, un spectre compris entre 300 et 1100 nm est suffisant pour couvrir les longueurs d'ondes choisies.
Un spectre large de ce type peut être obtenu par tout moyen d'éclairage classique, tel que ampoule à incandescence, ampoule à gaz, diode électroluminescente (DEL) ou toute combinaison de ces composants. Le dispositif d'éclairage principal 12 est avantageusement disposé de manière annulaire autour de l'axe optique 2 afin d'augmenter la quantité de lumière éclairant l'échantillon 4. Il est avantageux d'augmenter au maximum cette quantité de lumière, afin d'améliorer la sensibilité du spectroroètre 1, malgré un faible « rendement » de la rétro diffusion. Un réflecteur 17, par exemple métallisé et annulaire, peut encore être utilisé afin de concentrer le flux lumineux de l'éclairage en direction de la zone cible 3 et de l'échantillon 4.
Dans un mode de réalisation avantageux, le dispositif d'éclairage principal 12 est protégé par une paroi de protection 18. Afin de ne pas perdre de puissance lumineuse, cette paroi est avantageusement translucide et optiquement neutre. Elle permet cependant de protéger les composants de l'éclairage principal 12 contre les corps étrangers. Cette paroi de protection 18 est, par exemple, réalisée en verre.
La fonction de la chambre de mesure 7 est d'accueillir les capteurs optiques 5. Cependant ces capteurs optiques 5 ne peuvent être tous disposés en un même endroit idéal de mesure. Ceci est compensé par une homogénéisation de tout signal lumineux entrant dans la chambre de mesure 7, réalisée par au moins un filtre diffuseur 9. Pour que ledit filtre diffuseur 9 soit efficace dans sa fonction de diffusion, la forme de la paroi latérale interne 19 de la chambre de mesure 7 peut être quelconque à condition d'être au moins incluse dans une enveloppe de forme conique dont l'angle d'ouverture 20 reste inférieur ou égal à l'angle de diffusion 11 du filtre diffuseur 9. Ainsi, comme illustré aux figures 8 à 11, cette paroi latérale 19 peut être conique, cylindrique, sphérique ou autre.
L'effet d'homogénéisation par diffusion est encore amélioré par un mode de réalisation où ladite paroi interne 19 de la chambre de mesure 7 est optiquement absorbante. Ceci peut être réalisé, de manière connue, par un matériau ou un revêtement adapté.
Il a été mentionné que les capteurs optiques 5 visent la zone cible 3. Afin de permettre une mise en place aisé des capteurs optiques 5 réalisant cette condition, un premier mode de réalisation utilise idéalement un fond intérieur 10 de la chambre de mesure 7 présentant une forme en calotte sphérique, le centre de cette sphère étant situé au niveau de la zone cible 3. Ainsi un capteur optique 5, monté à plat sur le fond intérieur 10, a de fait son axe optique 6, normal à la surface de la calotte sphérique, aligné avec la zone cible
Cependant la réalisation d'un fond intérieur 10 sphérique est complexe et on lui préfère un fond plan, plus simple. Dans ce cas cependant, l'axe optique 6 d'un capteur optique 5 se trouve d'autant plus désaligné d'avec la zone cible 3 que le capteur optique 5 est monté loin de l'axe optique 2. Deux techniques seront décrites ci-après afin de corriger / compenser ce désalignement axial.
Afin d'optimiser la sensibilité du spectromètre 1, il convient d'augmenter au maximum l'intensité de lumière reçue à l'intérieur de la chambre de mesure 7. En plus de retenir un filtre diffuseur 9 à faible atténuation, et un éclairage principal 12 puissant et muni d'un réflecteur, la géométrie de la chambre de mesure 7 peut aussi être optimisée. La proportion de ladite chambre de mesure 7 est avantageusement conçue de manière à présenter un gain photométrique G maximal. Le gain photométrique G est défini par la formule :
ΓΦ
G = 100. —Υ , où Φ est le diamètre de l'ouverture 8, et L est
UJ
la distance entre ladite ouverture 8 et le fond intérieur 10. Pour augmenter G il est possible soit d'augmenter Φ , soit de réduire L . Dans la pratique on retiendra avantageusement une valeur de G au moins égale à 4.
Le diamètre Φ est lié aux dimensions typiques des échantillons 4. La taille du fond intérieur 10 dépend du nombre de capteurs optiques 5 utilisés. Ce nombre dépend des teneurs que l'on souhaite mesurer. L'angle d'ouverture de la chambre de mesure est au moins égal à l'angle de diffusion du filtre diffuseur 9. Une ouverture 11 de la chambre de mesure 7 trop importante est préjudiciable en ce qu'une partie de la lumière entrant dans la chambre de mesure 7 est perdue. Avantageusement l'ouverture de la chambre est choisie supérieure mais presque égale à l'angle de diffusion du filtre diffuseur 9. La géométrie de la chambre de mesure 7 est ainsi déterminée, et l'on choisira avantageusement une longueur L minimale respectant la précédente condition d'angle.
Ainsi dans le cas d'application au raisin, dont on souhaite mesurer des grappes, la dispersion importante des tailles d'échantillon a conduit expérimentalement à retenir un diamètre optimum Φ de 10 mm. Les composés retenus conduisent à employer 13 capteurs optiques 5, de dimension 5x5 mm que l'on place sur un fond intérieur 10 de diamètre 36,5 mm. Un filtre diffuseur 9 présentant un angle de diffusion de 40° conduit à une distance L minimale de 50 mm, soit un gain photométrique sensiblement égal à 4.
Afin d'analyse du spectre de lumière rétro réfléchie, la chambre de mesure 7, et particulièrement son fond intérieur 10, est équipée de capteurs optiques 5. Selon une caractéristique importante et avantageuse de l'invention, ledit spectre rétro réfléchi 22, dont un exemple est illustré à la figure 7 comparativement au spectre d'éclairage 21 illustré à la figure 6, est analysé au moyen de mesures d'intensité de lumière. Selon un mode de réalisation particulier, ces mesures sont réalisées sur un ensemble de valeurs discrètes de longueurs d'ondes choisies en fonction de l'ensemble des composés dont l'on souhaite déterminer la teneur. A chacune de ces longueurs d'onde est associé un capteur optique 5 mesurant l'intensité lumineuse dans une bande étroite centrée sur ladite longueur d'onde. Le choix desdites longueurs d'onde est avantageusement obtenu par une optimisation prenant globalement en compte l'ensemble des composés dont l'on souhaite déterminer la teneur et qui est décrite plus loin.
Afin de réaliser un tel capteur optique 5 dédié à une longueur d'onde ainsi choisie, un capteur optique 5 comprend par exemple une photodiode 25 et un filtre optique 26 disposé devant une surface sensible de ladite photodiode 25. Ainsi ladite photodiode 25 mesure uniquement l'intensité lumineuse reçue dans une bande autour de ladite longueur d'onde. La photodiode peut être une photodiode de type Silicium (Si) ou encore Indium Gallium Arsenide (InGaAs) . Elle est apte à délivrer en sortie un signal électrique analogique indicatif de l'intensité lumineuse reçue.
Selon un mode de réalisation avantageux, la photodiode 25 est une photodiode à grande surface réceptrice, afin d'améliorer la quantité de lumière reçue. Ceci contribue à améliorer le rapport signal sur bruit et la sensibilité du spectromètre 1. En associant les différentes caractéristiques géométriques, optiques et électroniques du spectromètre, il est possible d'obtenir un rapport signal sur bruit des mesures d'intensité lumineuse supérieur ou égal à 6000, qui rend possible la détermination de teneur en composé très faible.
Le filtre optique 26 est avantageusement un filtre passe bande étroite centré sur ladite longueur d'onde. Des filtres présentant une largeur de bande de 4 nm permettent d' obtenir un résultat satisfaisant. Avantageusement la dimension du filtre optique 26 est suffisamment grande pour permette de couvrir le plus complètement possible la surface sensible de la photodiode 25 à laquelle il est associé afin de maximiser le rendement lumineux du capteur optique 5. Le filtre optique 26 est avantageusement plaqué au plus près contre la surface sensible de la photodiode 25.
Selon un mode de réalisation avantageux illustré aux figures 12 à 15, les capteurs optiques 5 sont assemblés et positionnés par un assemblage multi pièces. Selon un premier exemple de réalisation, illustré aux figures 12 et 13, une première pièce support 30 rigide sensiblement plane accueille les photodiodes 25 et assure leur positionnement précis. Avantageusement, cette pièce 30 peut être un circuit imprimé 30. Les photodiodes sont alors positionnées par soudage et le circuit imprimé assure encore le câblage des photodiodes. Une seconde pièce entretoise 31 rigide sensiblement plane, dans laquelle sont découpés des logements aptes à accueillir les filtres optiques 26, assure leur positionnement relativement aux photodiodes 25 dans le plan de l'assemblage. Une troisième pièce intercalaire 32 sensiblement plane, réalisée dans un matériau élastique, est découpée de manière à se superposer à la pièce support 31. L'épaisseur cumulée de la pièce support 31 et de la pièce intercalaire 32 est telle qu'elle soit supérieure à l'épaisseur des filtres optiques 26 lorsque la pièce intercalaire 32 est au repos, et inférieure à ladite épaisseur lorsque la pièce intercalaire 32 est comprimée. Une quatrième pièce de serrage 34 assure le maintien de l'ensemble. La quatrième pièce de serrage 34 comporte au niveau des filtres optiques 26 des découpes découvrant au moins la surface sensible de chaque photodiode 25, mais couvrant la périphérie de chaque filtre optique 26 afin d'assurer son maintien. La compression de la pièce intercalaire 32 assure un rattrapage de jeu, et un plaquage des filtres optiques 26 contre les photodiodes 25, selon la direction de l'axe 6 du capteur optique, perpendiculaire au plan l'assemblage.
Selon un mode de réalisation alternatif, illustré aux figures 14 et 15, les pièces entretoise 31 et intercalaire 32 sont confondues en une unique pièce 31 élastique assurant leurs fonctions.
La figure 16 illustre un mode de réalisation de la chaîne traitement associée à un capteur optique 5. Chaque capteur ique 5 est associé à un amplificateur/filtre 40, 41, afin de traiter le signal électrique de sortie du capteur optique 5. Ce filtre de traitement de signal comprend au moins un amplificateur 40. Avantageusement le gain de chaque amplificateur 40, associé à un capteur optique 5, est réglable séparément, afin de pouvoir maximiser l'excursion de la mesure de l'intensité lumineuse observable sur ce capteur optique 5, en conditions normales de mesure. Pour chaque capteur optique 5, en fonction des composés dont on souhaite déterminer la teneur, et de la population typique d'échantillon probable, il est possible de déterminer, le cas échéant avec une marge de sécurité, une valeur maximale d'intensité lumineuse observable. Le gain de l'amplificateur 40 est alors réglé pour que cette valeur maximale d' intensité corresponde à la valeur maximale de la mesure acceptable par un dispositif d'acquisition 42 en aval. Ceci permet d'exploiter au maximum le signal mesuré en profitant de la dynamique du dispositif de traitement 42 en aval afin d'obtenir une grande sensibilité et un meilleur rapport signal sur bruit.
La chaîne de traitement de capteur optique peut encore comprendre d'autres composants. Il est ainsi possible d'utiliser des filtres 41 ou d'autres composants, afin de réaliser tout prétraitement du signal électrique de mesure. Le dispositif de traitement 42 est avantageusement un convertisseur analogique numérique 42 afin d ' interfaçage avec une unité logique de traitement 60 décrite plus loin. En fonction du nombre de capteurs optiques 5, il est encore possible d'employer un multiplexeur afin de multiplexer lesdits capteurs optiques 5 avec ladite unité logique de traitement 60.
Comme vu précédemment, il convient que les capteurs optiques 5 visent la zone cible 3. Un premier mode de réalisation avec un fond intérieur 10 sphérique remplit cette condition, mais s'avère difficile à mettre en œuvre, notamment dans le mode de réalisation préférentiel utilisant un circuit imprimé plan. Un fond intérieur 10 plat est donc préféré. Cependant sur un fond support plat, l'axe 6 d'un capteur optique 5 ne vise plus la zone cible 3, et est d'autant plus désaligné par rapport à une direction visant la zone cible 3 que le capteur optique 5 est monté loin de l'axe optique 2.
Un premier mode de réalisation consiste à corriger ledit désalignement par une correction angulaire, par exemple au moyen d'un support biais, radialement disposé, pour chaque capteur optique 5, le biais étant fonction de la distance à l'axe optique 2, afin de reproduire l'angle que le capteur optique 5 présenterait, monté sur une calotte sphérique. Cependant une telle correction est difficile à mettre en œuvre compte tenu des faibles angles à considérer.
Un second mode de réalisation consiste à corriger non plus ledit désalignement mais sa conséquence. Un désalignement axial modifie de manière connue la longueur d'onde mesurée du signal lumineux en la décalant vers le bleu. L'angle de désalignement axial étant connu, sa conséquence sur la mesure du signal lumineux peut être corrigée en décalant la longueur d'onde associée au capteur optique 5 d'une valeur correspondant audit angle de désalignement. Ce décalage est réalisé par le choix du filtre optique 26 lors de sa conception. Ainsi pour une longueur d'onde λ déterminée en fonction des composés, le capteur optique est "réglé" sur une longueur d'onde décalé λ' fonction de la longueur d'onde λ et de la distance (ou angle de désalignement de l'axe 6) du capteur optique 5 relativement à l'axe optique 2.
Les longueurs d'onde associées audits capteurs optiques 5 permettent de caractériser le spectre de lumière rétro diffusée. Le nombre et les valeurs des longueurs d'onde retenus peuvent être quelconques. Cependant un choix judicieux de ce nombre et de ces valeurs permet d'améliorer nettement la qualité des mesures. Ainsi, selon une méthode préférentielle le nombre de longueurs d'onde et les valeurs particulières de ces longueurs d' onde peuvent être globalement choisis en fonction du jeu de composés dont on souhaite déterminer les teneurs.
Un exemple de méthode de détermination des longueurs d' ondes est basé sur une optimisation globale obtenue en maximisant une fonction objectif ou de performance. On considère un ensemble étendu de longueurs d'onde candidates Ài..Am. Le cardinal m de cet ensemble peut être très grand. Ainsi il est possible de partir en incluant toutes les longueurs d'onde du spectre retenu, avec un pas donné de 1, 2 ou quelques nm, ou encore de toutes les longueurs d'onde commercialement disponibles. Une sélection S quelconque de n, n<m, longueurs d'onde est considérée dans cet ensemble, et la fonction objectif est calculée pour cette sélection S. La fonction objectif F est choisie telle que sa valeur F (S) soit maximale lorsque les capteurs optiques associés à la sélection S de longueurs d'onde réalisent une erreur minimale et ce avec un nombre minimum de longueurs d'onde. Un exemple de fonction est donné par la formule :
parcourt, de 1 à k, les composés
prédire, Ei est l'erreur de prédiction obtenue pour le ieme composé à prédire, et Si est l'écart type de concentration de ce ieme composé à prédire.
Il est ensuite itéré sur les différentes sélections S. Une méthode simpliste itère sur toutes les sélections S possibles. L'homme du métier des méthodes d'optimisation globales connaît des heuristiques permettant de réduire sensiblement les sélections S retenues et ainsi la taille de l'espace de recherche.
Pour l'exemple illustratif appliqué au raisin, le choix des quatre composés : eau, sucre, polyphénols anthocyanes, acide, permet de déterminer une série optimale de 13 longueurs d'onde « théoriques » suivantes : 440, 520, 665, 690, 740, 770, 805, 840, 875, 910, 945, 980 et 1015 nm.
Compte tenu du fait que les dix premiers capteurs optiques (440 à 910 nm) sont disposés sur le circuit imprimé 30 selon une première couronne extérieure et présentent un désalignement résultant de 13,86°, et que les trois derniers capteurs optiques (945 à 1015 nm) sont disposés sur le circuit imprimé 30 selon une seconde couronne intérieure et présentent un désalignement résultant de 6,81°, les longueurs d'onde « corrigées » deviennent : 442, 522, 668, 693, 743, 773, 809, 844, 879, 914, 946, 981 et 1016 nm.
Afin d'améliorer la qualité de mesure du spectromètre 1 objet de l'invention, un dispositif de compensation est avantageusement mis en œuvre. Pour cela le spectromètre 1 comprend avantageusement un dispositif d'éclairage de référence 50. L'objectif du dispositif d'éclairage de référence 50 est de permettre de réaliser une mesure de référence similaire à la mesure réelle, sauf que la lumière n'est pas rétro diffusée par l'échantillon 4. Ainsi par comparaison des deux mesures obtenues avec et sans atténuation par l'échantillon 4, il est possible de déterminer avec une plus grande précision l'influence de l'échantillon 4, en terme d'atténuation de la lumière.
Ce dispositif d'éclairage de référence 50 est choisi de manière à émettre un spectre de lumière le plus identique possible à celui émis par le dispositif d'éclairage principal 12. Pour cela, le dispositif d'éclairage de référence 50 émet, en conditions d'utilisation comparable, à tout instant, un spectre présentant les même caractéristiques, malgré les éventuels changements de température des dispositifs d'éclairage et malgré leur vieillissement, que le spectre 21 émit par le dispositif principal d'éclairage 12. Un moyen d'atteindre cet objectif est de reproduire à l'identique la structure du dispositif d'éclairage principal 12 en réalisant un dispositif d'éclairage de référence 50 composé du même nombre de constituants (ampoules, DELs, ...) , du même type, de même référence et de même lot de fabrication que ceux du dispositif principal d'éclairage 12. Cependant, ceci est surtout vrai pour les lampes à incandescence. Il peut être considéré que les DELs ne sont pas sensibles ni aux variations de température, ni au vieillissement. Dans la pratique un éclairage principal 12 peut comprendre des lampes à incandescence supportées par des DELs afin d' augmenter le flux lumineux, tandis que l'éclairage de référence 50 ne comprend que des lampes à incandescence de même type, même référence et même lot de fabrication.
On peut encore avantageusement, au niveau du procédé d'utilisation, qui sera décrit plus loin, s'assurer de commander des durées comparables d'allumage respectif du dispositif d'éclairage principal 12 et du dispositif d'éclairage de référence 50 afin qu'au moment de leur utilisation pendant les acquisitions, les dispositifs d'éclairage 12, 50 présentent des températures et donc des spectres identiques.
Afin de reproduire, vu des capteurs optiques 5 une lumière comparable à celle issue du dispositif d'éclairage principal 12, le dispositif d'éclairage de référence 50 est disposé hors de la chambre de mesure 7, de manière à ce que sa lumière éclaire le fond intérieur 10 de la chambre de mesure 7, où sont disposés les capteurs optique 5, après avoir été diffusée par le filtre diffuseur 9. Une disposition possible est illustrée aux figures 3 et 4, où le dispositif d'éclairage de référence 50 est disposé sur la tranche du filtre diffuseur 9.
Le spectromètre optique 1 selon l'invention, intègre encore avantageusement, d'autres capteurs optiques afin de réaliser simultanément d'autres mesures sur un même échantillon 4.
Ainsi le spectromètre optique 1 peut comprendre un système de mesure de la couleur 51, 52 de l'échantillon 4. Ce système comprend un troisième dispositif d'éclairage 51 et un capteur optique de couleur 52. Ce système de mesure de la couleur fonctionne, selon le troisième mode de réflexion de surface. Il convient que l'axe d'éclairage de l'échantillon 4 et l'axe de mesure de la couleur soient disposés symétriquement l'un de l'autre par rapport à l'axe optique 2 en supposant que l'échantillon 4, appuyé contre le plan de l'ouverture 8 au niveau de la zone cible 3, présente une normale parallèle audit axe optique 2. Une configuration nécessaire afin de réaliser cette condition, est que, tant le troisième dispositif d'éclairage 51 que le capteur optique de couleur 52 visent la zone cible 3.
Selon un premier mode de réalisation, illustré aux figures 3 et 4, le troisième dispositif d'éclairage 51 et le capteur optique de couleur 52 sont disposés sur le fond intérieur 10.
Selon un second mode de réalisation, l'ouverture 8 de la chambre de mesure 7 est équipée d'une lentille 55 obturant l'ouverture 8 à l'extérieur relativement au filtre diffuseur 9, et le troisième dispositif d'éclairage 51 et le capteur optique de couleur 52 sont disposés entre le filtre diffuseur 9 et la lentille 55. Une telle configuration est par exemple illustrée à la figure 5. La zone cible 3 est, selon ce mode de réalisation, située à l'extérieur de cette lentille 55. Cette lentille 55 remplace alors le filtre diffuseur 9 dans ses fonctions de support de l'échantillon 4 et de protection de la chambre de mesure 7 contre les corps étrangers. Cette lentille 55 peut être en matériau translucide optiquement neutre tel du verre. Cette lentille 55 peut encore avantageusement être un second filtre diffuseur.
Le troisième dispositif d'éclairage 51 est avantageusement une source de lumière large spectre, comparable au dispositif d'éclairage principal 12. Ce peut être une DEL émettant un spectre blanc afin de réduire la place occupée. Un cache 56 permet avantageusement de ne pas éclairer directement le capteur optique de couleur 52 proche.
Le capteur optique de couleur 52 mesure, de manière connue, les intensités selon trois couleurs, typiquement rouge, vert et bleu. Le capteur optique de couleur 52 comprend trois capteurs individuels mesurant chacun une des trois couleurs retenues. Ces trois capteurs peuvent encore être intégrés en un composant unique. Le spectromètre optique 1 peut encore comprendre un système de mesure par fluorescence 53, 54 de l'échantillon 4.
Ce système comprend un quatrième dispositif d'éclairage 53 et un capteur optique spécifique 54. Ce système de mesure par fluorescence 53, 54 fonctionne, par réémission. Le quatrième dispositif d'éclairage 53 et le capteur optique spécifique 54 visent la zone cible 3.
De même, le dispositif de mesure par fluorescence peut, selon un premier mode de réalisation, être disposé sur le fond intérieur 10. Il est avantageux que le quatrième dispositif d'éclairage 53 et le capteur optique spécifique 54 soient tous deux disposés, sur le fond intérieur 10, en coïncidence avec l'axe optique 2.
Selon un second mode de réalisation, le quatrième dispositif d'éclairage 53 et le capteur optique de couleur 54 sont disposés entre le filtre diffuseur 9 et la lentille 55. Une telle configuration est illustrée à la figure 5.
Le principe de la fluorescence consiste à éclairer un échantillon 4 avec une lumière comprenant au moins une première longueur d'onde particulièrement choisie pour provoquer, en présence d'un composé réactif particulier, une émission lumineuse en retour selon une deuxième longueur d'onde. Le quatrième dispositif d'éclairage 53 est alors une source lumineuse monochromatique centrée sur ladite première longueur d'onde ou dont le spectre comprend au moins cette longueur d'onde. Le capteur optique spécifique 54 est alors un capteur sensible à la seconde longueur d'onde, tel par exemple une photodiode équipée d'un filtre optique spectral passe bande centrée sur ladite seconde longueur d'onde.
Ainsi une application particulière, dans l'exemple illustratif de la vigne et du raisin, est la détection d'un champignon parasite nommé botrytis. Ce champignon présente un effet de fluorescence. Lorsqu'il est éclairé par une lumière monochromatique de longueur d'onde centrale 380 nm, le botrytis réagit en réémettant un rayonnement lumineux de longueur d'onde centrale 522 nm, détectable avec un capteur optique spécifique 54 centré sur cette longueur d'onde. Un éclairage comprenant la longueur d'onde 380 nm peut être réalisé au moyen d'une DEL UV produisant un spectre de 380 nm +/-15 nm.
Afin d'orchestrer les différents composants précédents et réaliser les mesures, le spectromètre optique 1, comprend encore une unité de traitement logique 60. Cette dernière est typiquement organisée autour d'un système calculateur à microprocesseur ou microcontrôleur, équipé de périphériques, fonctionnant sous le contrôle d'un logiciel. Cette unité logique de traitement 60 est interfacée avec les différents dispositifs électriques : dispositifs d'éclairages 12, 50, 51, 53 et capteurs optiques 5, 52, 54. Ainsi, ladite unité logique de traitement 60 est apte à commander l'allumage sélectif des dispositifs d'éclairages 12, 50, 51, 53. Elle est encore apte à acquérir des mesures issues des différents capteurs optiques 5, 52, 54 et de leurs chaînes 40, 41, 42, de traitement de signal. Elle est encore apte à produire des déterminations par calcul à partir des mesures issues desdits capteurs optiques 5, 52, 54. Elle est encore apte a stocker et à restituer tant lesdites mesures que lesdites déterminations.
Le spectromètre optique 1 comprend encore une interface homme machine 61, interfacée avec ladite unité de traitement logique 60. Cette interface homme machine 61 comprend au minimum un moyen d'entrée 62, et un moyen de sortie 63. Un moyen d'entrée 62 est typiquement un bouton, un clavier ou une gâchette 62, apte à permettre à un utilisateur du spectromètre optique 1, de déclencher un programme réalisant une séquence de mesures, par exemple selon le procédé qui est décrit ci-après. Un moyen de sortie 63 est typiquement un affichage par exemple un écran 63 apte à afficher les résultats des mesures. D'autre moyens d'entrée peuvent être présents afin, par exemple, de permettre de configurer le spectromètre optique 1.
Parmi les périphériques de 1 ' unité logique de traitement on trouve au moins un moyen de stockage 64. Ce moyen peut comprendre une mémoire interne, le cas échéant amovible, par exemple sous forme d'une carte mémoire flash, afin de pouvoir transmettre des mesures ou déterminations à une autre unité de stockage ou de traitement. Il est possible de redonder ce moyen de stockage afin de garantir une sauvegarde des mesures et déterminations. Ainsi toute mesure peut en parallèle être stockée dans une mémoire interne résidente de type flash ou EEPROM, par exemple, et de manière redondante, par exemple, sur une mémoire amovible de type carte mémoire SD. On peut aussi trouver un moyen de transmission 65. Ce moyen de transmission 65 peut comprendre une liaison filaire (RS, Ethernet, parallèle, USB,...) ou hertzienne (Wifi, GSM, GPRS, BlueTooth,...). L'avantage d'une liaison hertzienne est de pouvoir transmettre quasi immédiatement des mesures réalisées sur le terrain à une unité de stockage et de traitement centrale.
Ainsi, dans l'exemple illustratif appliqué au raisin, un ou plusieurs spectromètres réalisent des mesures de teneur de composés dans les rangs d'une exploitation viticole. Ces mesures sont transmises à une unité logique de traitement centrale située par exemple au chai, qui compile toutes les mesures pour produire des résultats plus globaux. Ainsi, par exemple, les mesures de teneurs peuvent alimenter une application de prévision de la date optimale de vendange.
Le spectromètre optique 1 peut encore comprendre un dispositif de géo localisation 66. Ce dispositif 66 peut être un récepteur GPS, GPRS ou équivalent. Il est avantageusement interfacé avec l'unité logique de traitement 60, à laquelle il fournit des localisations et, le cas échéant, une date/heure précise. Ainsi, l'unité logique de traitement 60 peut avantageusement associer à une mesure sa localisation géographique et/ou sa date/heure, à l'instant de la mesure ou détermination. Ceci est intéressant afin de dresser des cartographies des mesures en différents endroits d'un établissement ou d'une exploitation.
Le spectromètre optique 1 est avantageusement portable/portatif en ce que tous ses composants peuvent être réalisés suffisamment petits. L'autonomie électrique est assurée par une batterie 68 intégrée à l'appareil. Comme illustré aux figures 18 et 19, un exemple de réalisation est figuré qui peut être porté au moyen d'une poignée 67 et opéré d'une seule main par un opérateur, qui peut ainsi utiliser sa main libre pour présenter l'échantillon 4 dans la zone cible 3.
L'invention concerne encore un procédé d'utilisation d'un tel spectromètre optique 1. Afin d'obtenir des mesures, il est procédé à des acquisitions. Une première mesure est réalisée, au moyen des capteurs optiques 5, en présence d'un échantillon 4 dont on souhaite déterminer les teneurs de composés, ce dernier étant placé dans la zone cible 3. Pendant la mesure, l'échantillon 4 est éclairé par le dispositif d'éclairage principal 12, ce dernier étant seul allumé, à l'exclusion du dispositif d'éclairage de référence 50, du troisième dispositif d'éclairage 51 et du quatrième dispositif d'éclairage 53, s'ils sont présents. Chacun des capteurs optiques 5 réalise, sensiblement en même temps, une mesure mi, où l'indice i décrit l'ensemble des capteurs optiques 5, comprenant n éléments. Cette mesure est nommée "réel".
Afin d'améliorer la qualité de la mesure, il est encore procédé à une mesure par les mêmes capteurs optiques 5, tous les dispositifs d'éclairage étant éteints : dispositif d'éclairage principal 12, dispositif d'éclairage de référence 50, troisième dispositif d'éclairage 51 et quatrième dispositif d'éclairage 53. La présence de l'échantillon 4 est ici avantageuse afin de pouvoir comparer les différentes mesures. Aussi ces différentes mesures sont elles, de préférence, réalisées dans un intervalle de temps court, leur ordre relatif étant indifférent. Chacun des capteurs optiques 5 acquiert, sensiblement en même temps, une mesure bi, où l'indice i décrit l'ensemble des capteurs optique 5, comprenant n éléments. Cette mesure est nommée "noir". Elle est indicative du bruit de fond optique des capteurs et de l'environnement, et est ensuite ôtée des autres mesures. Afin d'améliorer encore la qualité de la mesure, en s ' affranchissant de l'évolution de la qualité du spectre émis par le dispositif d'éclairage principal 12 dans le temps (dérive thermique en fonction de sa température propre, dérive thermique en fonction de la température ambiante, vieillissement, ...) , il est utilisé un dispositif de compensation. Le dispositif d'éclairage de référence 50, déjà décrit, est conçu pour produire un spectre, qui même s'il évolue lentement avec le temps, reste à tout instant identique au spectre du dispositif d'éclairage principal 12. Ceci permet de réaliser une compensation en comparant une mesure réalisée en analysant la lumière issue du dispositif d'éclairage principal 12 après rétro diffusion par l'échantillon 4 et une mesure réalisée en analysant la lumière, théoriquement identique, directement issue de l'éclairage de référence 50. Ici aussi, les différentes mesures sont, de préférence, réalisées dans un intervalle de temps court, mais leur ordre est indifférent. Pour obtenir cette seconde mesure, il est procédé à une mesure par les mêmes capteurs optiques 5, le dispositif d'éclairage de référence 50 étant seul allumé. Les autres dispositifs d'éclairage : dispositif d'éclairage principal 12, troisième dispositif d'éclairage 51 et quatrième dispositif d'éclairage 53 sont éteints. La présence de l'échantillon 4 est ici encore nécessaire afin de produire des conditions comparables. Chacun des capteurs optiques 5 réalise, sensiblement en même temps, une mesure ri, où l'indice i décrit l'ensemble des capteurs optique 5, comprenant n éléments. Cette mesure est nommée "référence". Elle est indicative du spectre de la lumière d'éclairage lorsqu'il n'est pas modifié par l'échantillon 4. Cette mesure ri peut encore être améliorée en lui ôtant la mesure bi "noir".
A partir de ces trois mesures, il est déterminé une valeur Xi corrigée, pour i compris entre 1 et n, en ôtant la mesure bi "noir" de chacune des deux autres mesures n et r^, et en comparant les deux par un quotient rapportant la mesure
"réel" à la mesure "référence". Ceci peut s'exprimer par la
m, - b:
formule X,=— '-.
rt ~b,
La compensation des différentes dérives de l'éclairage par utilisation d'un dispositif d'éclairage de référence 50 et comparaison des mesures tel que décrit permet avantageusement de réaliser une compensation de manière simple, y compris dans les conditions inévitablement variables rencontrées sur le terrain. Au contraire, un équipement de laboratoire utilise une source de lumière calibrée parfaitement connue et reproductible, et/ou une enceinte régulée thermiquement de manière précise afin de supprimer toute cause de dérive. De tels moyens ne sont bien entendus pas transposables à un spectromètre optique portatif de terrain tel que celui de l'invention.
Le procédé comprend ensuite une étape de dérivation seconde dans laquelle sont calculés des Dj., pour i compris entre 1 et n. Cette étape applique les formules :
, =2{X,-X2)r
Di = 2X/ - X^^ - Xj+i pour i compris entre 2 et n-1, Dn=2{Xn-Xn_{).
Dans une étape suivante, le procédé comprend encore une étape de normalisation par une norme égale à la somme des
)2 , afin d'obtenir des Ni, selon la formule : pour i compris entre 1 et n.
Dans une étape suivante, le procédé comprend encore une étape où les i issus des mesures sont ensuite transformés par combinaison linéaire, afin de déterminer les teneurs Mj en composé de l'échantillon 4 selon la formule:
MJ=SMJ„+l+∑NlSAfJI,
i=\
où :
Ni est le nombre précédemment déterminé à partir des n mesures Xi issues des capteurs optiques, i compris entre 1 et n, n étant le nombre de capteurs optiques 5,
Mj est la teneur du jeme composé, j compris entre 1 et p, p étant le nombre de composés,
SMji est un coefficient caractéristique.
Les SMji sont un ensemble de coefficients caractéristiques des p composés dont l'on souhaite mesurer les teneurs et des n capteurs optiques 5 ou ce qui est équivalent, des n longueurs d'ondes associées à ces capteurs optiques. La matrice SM de dimension [n+1, p] des coefficients SMji est ainsi caractéristique du couplage entre ces longueurs d'ondes et lesdits composés. La matrice SM est ainsi une caractéristique de la configuration d'un spectromètre 1 selon l'invention et de son procédé d'utilisation. Elle est stockée dans la mémoire de l'unité logique de traitement 60. Le changement de destination du spectromètre pour le rendre apte à déterminer les teneurs d'autres composés nécessite une reconfiguration comprenant la modification des longueurs d'ondes (le cas échéant de leur nombre) qui peut être réalisée par modification des filtres optiques 26, ainsi que la modification concomitante de la matrice SM, qui peut s'effectuer par modification dans la mémoire de l'unité logique de traitement 60. Une méthode de détermination de cette matrice SM caractéristique va maintenant être décrite.
La matrice de coefficients SMji établit une relation linéaire entre les teneurs Mj des composés, j décrivant l'ensemble des p composés et les déterminations Ni, i décrivant l'ensemble des n capteurs optiques 5, calculées à partir des mesures réalisées par les n capteurs optiques 5.
n
La relation est de la forme M . = SMJn+l + NSM , soit une relation linéaire affine, où SMji, pour i compris entre 1 et n est un poids affecté au ieme capteur optique 5, pour la détermination de la teneur du j eme composé, et SMjn+i est un terme supplémentaire d'offset.
Les coefficients SMji de cette relation sont identifiés par toute méthode connue, à partir d'une série de mesures sur des échantillons 4, réalisée avec le spectromètre selon l'invention pour déterminer les i, les teneurs j de ces mêmes échantillons étant connues, par exemple au moyen d'une mesure réalisée à l'aide d'un spectromètre de laboratoire. Une méthode applicable connue est la régression linéaire multiple .
Selon un mode de réalisation illustratif particulier, appliqué au raisin, on souhaite déterminer les teneurs des quatre composés suivants : eau, sucre, polyphénols anthocyanes et acide. Pour ces composés, et pour les longueurs associés retenues, à savoir n=13 longueurs d'onde (440, 520, 665, 690, 740, 770, 805, 840, 875, 910, 945, 980, 1015) , deux exemples de matrice SM sont indiquées aux figures 23 et 24. La matrice SM (90) de la figure 23 est applicable au raisin noir/rouge, et la matrice SM (98) de la figure 24 est applicable au raisin blanc. La première de ces matrices 90 comprend quatre lignes, 91-94, correspondant respectivement aux 4 composés sucre, acide, anthocyane et eau. La seconde desdites matrices 98 ne comporte que trois lignes, le composé anthocyane n'existant pour le raisin blanc. Elle comprend encore 14 colonnes. Les 13 premières colonnes correspondant aux 13 capteurs optiques, ainsi la première colonne 95 et la dernière colonne 96. Une colonne supplémentaire 97 contient les coefficients SMjn+i d'offset. Le procédé comprend encore, de manière optionnelle, dans la même séquence de mesure, afin de profiter de la présence de l'échantillon 4 dans la zone cible 3, une mesure de la couleur de l'échantillon 4. Pour cela une acquisition est réalisée au moyen du capteur optique de couleur 52, le troisième dispositif d'éclairage 51 étant seul allumé afin d'éclairer l'échantillon 4. Ceci permet d'obtenir une mesure "réel couleur" mc de la couleur de l'échantillon 4.
A l'instar des autres mesures réalisées par les capteurs optiques 5 dédiés à la détermination des teneurs en composés, cette mesure peut être corrigée par soustraction d'une mesure "noir" et par compensation au moyen d'une mesure "référence".
Aussi, le procédé comprend encore une étape d'obtention d'une mesure "référence couleur" rc, par acquisition au moyen du capteur optique de couleur 52, le dispositif d'éclairage de référence 50 étant seul allumé. Ainsi le capteur optique de couleur 52 est directement éclairé sans modification occasionnée par la rétro diffusion par l'échantillon 4.
De même, une mesure "noir couleur" bc, est réalisée par acquisition au moyen du capteur optique de couleur 52, tous les dispositifs d'éclairage 12, 50, 51, 53 étant éteints. Une étape procède ensuite à la détermination d'une valeur de couleur corrigée Xc, selon la formule Xc=———.
rc - Le procédé comprend encore, de manière optionnelle, dans la même séquence de mesure, afin de profiter de la présence de l'échantillon 4 dans la zone cible 3, une mesure par fluorescence de l'échantillon 4. Pour cela, une acquisition est réalisée au moyen du capteur optique spécifique 54, le quatrième dispositif d'éclairage 53, étant seul allumé afin d'éclairer l'échantillon 4 par une lumière comprenant au moins une première longueur d'onde particulière. Ceci permet d'obtenir une mesure "réel fluorescence" mf de l'échantillon 4.
A l'instar des autres mesures réalisées par les capteurs optiques 5, 52, cette mesure peut être corrigée par soustraction d'une mesure "noir". La compensation au moyen d'une mesure "référence" n'est pas applicable.
Aussi le procédé comprend encore une étape d'obtention d'une mesure "noir fluorescence" bf, réalisée par acquisition au moyen du capteur optique spécifique 54, tous les dispositifs d'éclairage 12, 50, 51, 53 étant éteints.
Une étape procède ensuite à la détermination d'une valeur de fluorescence corrigée Xf, selon la formule Xf = mf -bf. Afin de s'affranchir d'une éventuelle anomalie localisée sur une unique acquisition, il est avantageux de remplacer une acquisition unique par une acquisition multiple suivie d'un moyennage de ces acquisitions. Ainsi la mesure "réel" mi, respectivement "réel couleur" mc, respectivement "réel fluorescence" mf, respectivement "référence" ri, respectivement "référence couleur" rc, respectivement "noir" bi, respectivement "noir couleur" bc, respectivement "noir fluorescence" bf, est avantageusement obtenue en réalisant, une pluralité de q acquisitions, en réalisant une moyenne de ces q acquisitions, ladite moyenne étant ensuite utilisée comme mesure.
Le nombre q d'acquisitions doit être assez important pour éviter les anomalies, tout en restant suffisamment faible pour ne pas allonger inconsidérément la durée de la séquence de mesure. Compte tenu des fréquences des dispositifs d'acquisition classiques, un nombre de répétitions q = 100 est convenable.
En référence à la figure 22 est décrit un déroulement du procédé d'utilisation. Une séquence typique de mesure est, par exemple, déclenchée par action sur le moyen d'entrée 62 de type gâchette, de l'interface homme machine 61. Il est procédé dans un ordre quelconque aux différentes opérations d'acquisition, accompagnées des commandes de dispositifs d'éclairage correspondants. Il peut ensuite être procédé aux différents traitements afin de produire les déterminations finales : p teneurs en composé, et le cas échéant couleur et présence/taux du composé détecté par fluorescence. Ces valeurs peuvent être affichées sur le moyen de sortie 63 de l'interface homme machine 61.
Un exemple illustratif de séquence de mesure (figure 22) comprend la suite d'opérations :
- 70 appui sur la gâchette,
- 71 mesure « noir » : nir i compris entre 1 et n, nc et nf,
- 72 allumage du dispositif d'éclairage de référence 50,
- 73 mesure « référence » : ri, i compris entre 1 et n, et rc,
- 74 extinction du dispositif d'éclairage de référence
50,
- 75 allumage du dispositif d'éclairage principal 12,
- 76 attente 200 ms, - 77 mesure « réel » : itii, i compris entre 1 et n, mc, et mf,
- 78 extinction du dispositif d'éclairage principal 12,
- 79 calculs des Xi, i compris entre 1 et n, Xc, Xf, - 80 stockage en mémoire,
- 81 calculs des Di et Nir i compris entre 1 et n, et des Mj, j compris entre 1 et p,
- 82 affichage des résultats,
- 83 attente appui gâchette.
La présence d'une unité logique de traitement 60 est avantageuse en ce qu'elle permet de réaliser divers traitements sur les mesures obtenues. D'autre déterminations peuvent être calculées et le cas échéant affichées sur le moyen de sortie 63.
Ainsi en plus des mesures et déterminations instantanées déjà mentionnées, il est possible de déterminer une moyenne dans le temps des mesures et déterminations instantanées obtenues pour différents échantillons 4 successivement analysés .
Lors d'une séquence de mesure, il est encore possible de déterminer un indice de confiance par exemple basé sur l'écart type d'une mesure. L'affichage de cet indice de confiance, à l'attention de l'opérateur, lui permet de déterminer s'il doit poursuivre ou s'il peut écourter sa campagne de mesure. II peut encore être réalisé un test passe/passe pas d'acceptation d'une séquence de mesure. Pour un type de produit à analyser, et une configuration donnée du spectromètre 1 (longueurs d'ondes, jeu de composés) il est connu des valeurs extrêmes possibles des différentes mesures et déterminations. Un échantillon ou une séquence de mesure qui produirait une ou plusieurs mesures hors de ces valeurs extrêmes conduirait à un rejet de la séquence. Ceci permet d'éviter des séquences faussées par un échantillon 4 non adapté, mal positionné dans la zone cible 3 ou une anomalie optique. Un exemple d'anomalie optique est une mesure qui serait réalisée en pointant le spectromètre 1 vers une source lumineuse intense, tel le soleil. Une telle mesure serait complètement faussée par un aveuglement des capteurs optiques très sensibles.
Le procédé peut encore comprendre, dès les mesures et déterminations terminées, une étape de stockage. Ce stockage peut être local sur un moyen de stockage 64 interne et résident au spectromètre et/ou sur un moyen amovible de type carte mémoire. Il est encore possible de réaliser une étape alternative ou complémentaire de transmission vers une autre unité logique de traitement, soit en temps réel dès la mesure ou détermination disponible ou en temps différé par lots.
La séquence de mesure peut encore inclure la détermination d'une position au moyen du dispositif de géo localisation 66. Cette position peut avantageusement être jointe à une mesure ou détermination réalisée à cette position .

Claims

REVENDICATIONS
1. Spectromètre optique, en particulier du type autonome et portatif, destiné à analyser un spectre lumineux rétro diffusé par un échantillon (4) éclairé, afin d'en déduire une teneur d'au moins un composé constituant l'échantillon (4), ledit spectromètre étant organisé autour d'un axe optique (2) et caractérisé en ce qu'il comprend :
- une zone cible (3) centrée sur ledit axe optique (2) et apte à accueillir ledit échantillon (4),
- une pluralité de capteurs comprenant au moins un capteur optique (5) visant la zone cible (3),
- une chambre de mesure (7) opaque à la lumière et comprenant :
- une ouverture (8) centrée sur ledit axe optique (2) ,
- au moins un filtre diffuseur (9) obstruant ladite ouverture ( 8 ) ,
- un fond intérieur (10) centré sur ledit axe optique (2) et apte à accueillir ladite pluralité de capteurs optiques (5),
ladite zone cible (3) étant située à proximité de ladite ouverture (8), à l'extérieur de la chambre de mesure ( 7 ) ,
un dispositif d'éclairage principal (12), apte à' éclairer ledit échantillon (4).
2. Spectromètre optique selon la revendication 1, où le dispositif d'éclairage principal (12) est disposé, relativement au plan (13) perpendiculaire à l'axe optique (2) passant par le filtre diffuseur (9), du côté opposé à la zone cible ( 3 ) .
3. Spectromètre optique selon la revendication 2, où le dispositif d'éclairage principal (12) émet selon un spectre compris entre 300 et 1800 nm.
4. Spectromètre optique selon la revendication 3, où le dispositif d'éclairage principal (12) est disposé de manière annulaire autour de l'axe optique (2).
5. Spectromètre optique selon la revendication 4, où le dispositif d'éclairage principal (12) est recouvert d'une protection (18) translucide et optiquement neutre.
6. Spectromètre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, où l'angle d'ouverture (20) de la chambre de mesure (7), depuis l'ouverture (8), est inférieur ou égal à l'angle de diffusion (11) du filtre diffuseur (9).
7. Spectromètre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, où le fond intérieur (10) et la paroi latérale interne (19) de la chambre de mesure (7) sont optiquement absorbantes.
8. Spectromètre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, où le fond intérieur (10) présente une forme sphérique centrée sur la zone cible (3) .
9. Spectromètre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, où le fond intérieur (10) présente une forme plane perpendiculaire à l'axe optique (2).
10. Spectromètre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, où la chambre de mesure (7) présente un gain photométrique G au moins égal à 4, ledit gain photométrique G étant défini par la formule :
Φ diamètre de l'ouverture
L : distance entre l'ouverture (8) et le fond intérieur
11. Spectromètre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, où chacun des capteurs optiques (5) de ladite pluralité est apte à mesurer une intensité lumineuse selon une longueur d'onde donnée.
12. Spectromètre optique selon la revendication 11, où chaque capteur optique (5) de ladite pluralité comprend une photodiode (25) et un filtre optique (26) disposé devant une surface sensible de ladite photodiode (25) .
13. Spectromètre optique selon la revendication 12, où ladite photodiode (25) est une photodiode à grande surface réceptrice, et où le filtre optique (26) est un filtre passe bande centré sur ladite longueur d'onde donnée.
14. Spectromètre optique selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, où chaque capteur optique (5) de ladite pluralité comprend encore un amplificateur/filtre (40) présentant un gain réglé de manière à maximiser l'excursion de la mesure d'intensité lumineuse.
15. Spectromètre optique selon l'une quelconque des revendications 9, 11 à 14, où la longueur d'onde associée à un capteur optique (5) est décalée de manière à compenser un désalignement axial dudit capteur optique (5) relativement à un axe visant la zone cible (3) provoqué par la forme plane du fond intérieur (10).
16. Spectromètre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, où les longueurs d'onde associées aux capteurs optiques (5) sont : 440, 520, 665, 690, 740, 770, 805, 840, 875, 910, 945, 980 et 1015 afin de déterminer les teneurs en : eau, sucre, polyphénol anthocyane et acide.
17. Spectromètre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, comprenant encore un dispositif d'éclairage de référence (50), reproduisant les caractéristiques lumineuses du dispositif d'éclairage principal (12), disposé à l'extérieur de la chambre de mesure (7) de manière à éclairer directement le fond intérieur (10) au travers du filtre diffuseur (9) .
18. Spectromètre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, comprenant encore un système de mesure de la couleur (51, 52) de l'échantillon (4). comprenant un troisième dispositif d'éclairage (51) et un capteur optique de couleur (52), tous deux visant la zone cible (3) .
19. Spectromètre optique selon la revendication 18, où le troisième dispositif d'éclairage (51) et le capteur optique de couleur (52) sont disposés sur le fond intérieur (10), sensiblement sur l'axe optique (2).
20. Spectromètre optique selon la revendication 18, où l'ouverture (8) de la chambre de mesure (7) est encore obstruée par une lentille (55) disposée à l'extérieur relativement au filtre diffuseur (9), et où le troisième dispositif d'éclairage (51) et le capteur optique de couleur (52) sont disposés entre le filtre diffuseur (9) et la lentille (55) .
21. Spectromètre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, comprenant encore un système de mesure par fluorescence (53, 54) de l'échantillon (4), comportant un quatrième dispositif d'éclairage (53) et un capteur optique spécifique (54), tous deux visant la zone cible (3).
22. Spectromètre optique selon la revendication 21, où le quatrième dispositif d'éclairage (53) et le capteur optique spécifique (54) sont disposés sur le fond intérieur (10), sensiblement sur l'axe optique (2).
23. Spectromètre optique selon la revendication 21, où l'ouverture (8) de la chambre de mesure (7) est encore obstruée par une lentille (55) disposée à l'extérieur relativement au filtre diffuseur (9), et où le quatrième dispositif d'éclairage (53) et le capteur optique spécifique (54) sont disposés entre le filtre diffuseur (9) et la lentille (55) .
24. Spectromètre optique selon l'une des revendications 22 ou 23, où le quatrième dispositif d'éclairage (53) émet selon une longueur d'onde centrale de 380 nm, et où le capteur optique spécifique (54) présente une longueur d'onde centrale de 522 nm, afin de permettre une détection du Botrytis.
25. Spectromètre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 24, comprenant encore une unité de traitement logique (60) apte à commander l'allumage sélectif des dispositifs d'éclairage (5, 50, 51, 53), à acquérir, traiter, stocker et restituer les mesures et les déterminations obtenues par traitements à partir de ces mesures issues des capteurs optiques (5), du capteur optique de couleur (52) et du capteur optique spécifique (54), et une interface homme machine (61), interfacée avec ladite unité de traitement logique (60) apte à déclencher une séquence de mesures et à afficher les résultats.
26. Spectromètre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 25, comprenant encore un dispositif de géo localisation (66).
27. Procédé d'utilisation d'un spectromètre optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'obtention par acquisition, d'une mesure "réel" nu, où l'indice i décrit de 1 à n la pluralité de capteurs optiques (5), en présence d'un échantillon (4) dans la zone cible (3), le dispositif d'éclairage principal (12) étant seul allumé afin d'éclairer ledit échantillon (4) .
28. Procédé selon la revendication 27, comprenant encore une étape d'obtention par acquisition, d'une mesure "noir" bi, où l'indice i décrit de 1 à n la pluralité de capteurs optiques (5), tous les dispositifs d'éclairage (12, 50, 51, 53) étant éteints .
29 . Procédé selon l'une des revendications 27 ou 28 , comprenant encore une étape d'obtention par acquisition, d'une mesure "référence" rif où l'indice i décrit de 1 à n la pluralité de capteurs optiques (5), le dispositif d'éclairage de référence (50) étant seul allumé afin d'éclairer directement lesdits capteurs optiques (5) .
30 . Procédé selon l'une quelconque des revendications 27 à 29 , comprenant encore une étape de détermination de valeur Xi
m -b:
corrigée pour i compris entre 1 et n, telle que X,, = .
r, -b,
31 . Procédé selon la revendication 30 , comprenant encore une étape de dérivation seconde, afin d'obtenir Di pour i compris entre 1 et n, telle que Z , = 2(X - X2 ) , Di = 2XI,-Xt_ - XM pour i compris entre 2 et n-1, Dn = 2(Xn - Xn_{ ) .
32 . Procédé selon la revendication 31 , comprenant encore une étape de normalisation, afin d'obtenir Ni, pour i compris entre 1 et n, telle que = ·
33 . Procédé selon la revendication 32 , comprenant encore une étape de détermination de la teneur en composé Mj de l'échantillon (4), où l'indice j décrit de 1 à p l'ensemble des composés dont on mesure les teneurs, par application de la formule :
MJ-SMlll+i +fjNi.SMJI où SMji est un coefficient caractéristique.
34 . Procédé selon la revendication 33 où les coefficients caractéristiques S ji sont donnés par la table (90), afin de déterminer des teneurs en : eau, sucre, polyphénol anthocyane, acide, pour un raisin noir/rouge, et par la table (98), afin de déterminer des teneurs en : eau, sucre, acide, pour un raisin blanc.
35. Procédé selon l'une quelconque des revendications 27 à 34, comprenant encore une étape de mesure "réel couleur" mc de la couleur de l'échantillon (4), au moyen du capteur optique de couleur (52), le troisième dispositif d'éclairage
(51) étant seul allumé afin d'éclairer l'échantillon (4).
36. Procédé selon la revendication 35, comprenant encore une étape d'obtention par acquisition au moyen du capteur optique de couleur (52), d'une mesure "référence couleur" rc, le dispositif d'éclairage de référence (50) étant seul allumé afin d'éclairer directement ledit capteur optique de couleur
(52) .
37. Procédé selon la revendication 36, comprenant encore une étape d'obtention par acquisition au moyen du capteur optique de couleur (52), d'une mesure "noir couleur" bc, tous les dispositifs d'éclairage (12, 50, 51, 53) étant éteints.
38. Procédé selon la revendication 37, comprenant encore une étape de détermination de valeur de couleur corrigée Xc, telle que Xc
39. Procédé selon l'une quelconque des revendications 27 à 38, comprenant encore une étape de mesure "réel fluorescence" mf de l'échantillon (4), au moyen du capteur optique spécifique (54), le quatrième dispositif d'éclairage (53) étant seul allumé afin d'éclairer l'échantillon (4).
40. Procédé selon la revendication 39, comprenant encore une étape d'obtention par acquisition au moyen du capteur optique spécifique (54), d'une mesure "noir fluorescence" bf, tous les dispositifs d'éclairage (12, 50, 51, 53) étant éteints.
41. Procédé selon la revendication 40, comprenant encore une étape de détermination de valeur de fluorescence corrigée Xf, telle que Xf=mr—bf.
42. Procédé selon l'une quelconque des revendications 27 à 41, où une mesure "réel" mi, respectivement "réel couleur" mc, respectivement "réel fluorescence" mf, respectivement "référence" r^, respectivement "référence couleur" rc respectivement "noir" bif respectivement "noir couleur" bc, respectivement "noir fluorescence" bf, est obtenue en réalisant, une- pluralité de q acquisitions et en retenant, pour mesure, la moyenne de ces q acquisitions.
43. Procédé selon la revendication 42, où q = 100.
44. Procédé selon l'une quelconque des revendications 27 à 43, comprenant encore une étape de détermination d'une moyenne des mesures et déterminations obtenues pour différents échantillons (4).
45. Procédé selon l'une quelconque des revendications 27 à 44, comprenant encore une étape de stockage des différentes mesures et déterminations et/ou une étape de transmission à une unité centrale de traitement.
46. Procédé selon l'une quelconque des revendications 27 à 45, comprenant encore une étape de mesure de la position au moyen du dispositif de géo localisation (66), ladite position étant jointe à chaque mesure ou détermination réalisée à cette position.
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